CN107262761B - 一种复合振动钻削装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合振动钻削装置及加工方法，复合振动钻削装置包括机床主轴电机和钻头，其特征在于，还包括振动刀柄和振动控制系统。所述振动控制系统包括监测系统和执行系统；所述执行系统包括低频振动发生器、超声振动发生器、步进电机、伺服驱动电机、电刷；所述振动控制器通过伺服驱动电机和步进电机控制低频振动发生器，所述振动控制器通过电刷控制超声振动发生器。本发明的加工方法在传统叠层构件钻削加工的基础上，针对不同材料的材料属性差异，复合超声或者低频轴向振动，并能够通过振动控制器，实现加工过程中进行振动钻削与普通钻削的转换、超声振动钻削与低频振动钻削的转换，以及振动参数的调整，获得高质量的制孔。
Description
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，具体是一种复合振动钻削装置及加工方法。
背景技术
随着经济的发展和科学技术的提高，难加工材料在各行各业得到广泛的运用。难加工材料主要分为：高强韧类难加工材料，例如钛合金、高温合金等；高硬脆类难加工材料，例如陶瓷、硅片等；以及兼具高强韧与高硬脆的各种复合材料。
振动加工作为一种辅助加工方式，自上世纪六十年代提出以来，已经得到了广泛的应用。振动辅助制孔技术作为振动加工的一个重要分支，它与普通钻削的区别在于制孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动，根据振动频率的不同，其主要可以分为低频振动（0~500Hz），以及超声振动（>15KHz）。
对于高强韧材料的钻削加工，低频振动制孔加工技术发挥出了其独特的优势，这种技术具有降低钻削温度，减小钻削力，减少刀具磨损的效果；对于高硬脆材料的钻削加工，超声振动加工技术则展示了其优异的效果，其主要表现在能够提高加工质量、精度，以及降低钻削力、减少刀具磨损等方面。
为了发挥不同材料各自优异的性能，飞机制造商正谋求在不同的结构位置使用不同的材料，这些材料包括钛合金、CFRP、铝合金、不锈钢等。在飞机结构中，绝大多数零部件都是通过铆接或螺栓连接进行装配。装配孔的制备往往是飞机装配的最后几道工序，由于复合材料损伤之后难以修复，叠层构件制孔质量的好坏直接关系到装配件是被接受还是报废，因此保证叠层构件的制孔质量非常重要。
伴随着叠层构件的出现，随之而来的是其困难的装配孔制备问题，由于各种材料不相同的特性，其加工工艺、加工刀具也不尽相同。由于复合材料与钛合金叠本身即为难加工材料，强行使用同一工艺、同一工具加工叠层构件，会带来制孔质量差、刀具寿命短、制孔效率低等问题，严重制约了装配效率、增加了制造费用、降低了飞机飞行安全。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种复合振动钻削装置及加工方法，该装置及方法能够提高难加工材料组成的叠层构件的制孔的质量。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种复合振动钻削装置，包括机床主轴电机、振动刀柄、钻头和振动控制系统。所述振动刀柄由机床夹持，所述钻头由所述振动刀柄夹持。
所述振动控制系统包括监测系统和执行系统。所述监测系统包括加工状态监测器、信号处理器，通过加工状态监测器、信号处理器来判断振动状态。所述执行系统包括低频振动控制器、超声振动控制器、步进电机、伺服驱动电机、电刷。所述低频振动控制器通过伺服驱动电机和步进电机控制振动刀柄低频振动，所述超声振动控制器通过电刷控制超声振动发生。
所述执行系统安装在振动刀柄中。所述振动刀柄还设置有止动块，所述步进电机安装在止动块中，所述步进电机用于控制低频振动发生器。振动刀柄还包括主轴接口、刀具连接口和连接器，所述主轴接口用于连接机床主轴，所述刀具连接口用于连接钻头，所述连接器将旋转运动从主轴经低频振动发生器和超声振动发生器传递至刀具连接口。
进一步的，将所述振动控制器通过加工状态监测器、信号处理替换为声发射传感器、声信号处理器，所述振动控制器通过声发射传感器、声信号处理器来判断振动状态。
进一步的，所述监测系统还包括可编程逻辑控制器。所述振动控制器通过读取可编程逻辑控制器来判断振动状态。
另一种改进，所述低频振动发生器包括低频振动控制机构、低频振动执行机构和低频振动发生器外壳。所述超声振动发生器包括压电陶瓷组件、超声电源和超声振动发生器外壳。所述振动控制器通过控制伺服驱动电机驱动步进电机，进而控制低频振动执行机构。所述振动控制器通过超声电源控制压电陶瓷组件的振动参数。
进一步的，所述低频振动发生器采用凸轮装置，能够实现振幅500μm以下的定频转比振动，转速可以达到8000rpm；所述超声振动发生器，能够实现振幅20μm以下，频率在15KHz~60KHz的高频振动。
一种使用上述复合振动钻削装置的加工方法，包括以下步骤：
判断是否对工件厚度和空间位置已知：如果已知，则通过手动编程的方式，进行振动加工；如果不清楚工件厚度或空间位置，则通过自动识别的方法，对振动形式进行判断，然后进行振动加工。
自动识别的方法采用声发射方法或者扭矩信号识别方法。
所述声发射方法包括以下步骤：
11）通过声发射传感器，输入声发射信号给信号处理器，并对声发射信号做典型特征识别，对特征进行判断后，将判断结果输送给振动控制器；由振动控制器确定振动辅助加工类型。
所述扭矩信号识别方法包括以下步骤：
21）通过加工状态监测器监测机床主轴电机的转速与功率，进而由信号处理器进行数据处理，并计算出钻削工作扭矩；
22）对扭矩做典型特征识别，并对特征进行判断，进而将判断结果输送给振动控制器，由振动控制器确定振动辅助加工类型。
进一步的，所述通过手动编程的方式，进行振动加工的过程如下：
通过预先设定振动转变时间点，并存储于可编程逻辑控制器中，到达预定时间后，将结果输送给振动控制器，进行振动加工。
进一步的，所述声发射方法或者扭矩信号识别方法采集信号后，首先进行低通滤波处理，以去除杂波对于信号识别的干扰，进而进行特征提取；具体采样点数量依据实际需求进行确定，特征识别方法采用斜率判断法或者极值判断法；如果提取的信号特征与数据库特征比对成功，则进行振动形式的转变，如果提取的信号不能和数据库中的特征进行匹配，则进行下一次信号采集。
进一步的，所述工件振动形式的选择，由工件加工质量决定，具体数据通过工艺试验获得。
本发明的复合振动钻削装置及加工方法具有以下优点：
1、本发明提供了一种能够提高由难加工材料组成的叠层构件的高质量制孔的装置和振动加工方法；
2、本发明所提供的装置和振动加工方法，能够根据不同材料组分，分别使用不同形式的振动钻削方法，以获得最佳的加工质量；
3、本发明所提供的装置和振动加工方法，不需要对叠层构件、钻头提出额外要求，仅需要在原有数控设备基础上加装集成式振动钻削装置，增加了系统适应性；
4、本发明所提供的装置和振动加工方法，振动发生器以刀柄的形式进行呈现，对工件装夹系统没有要求，增加了本方法的使用范围。
附图说明
图1为使用本发明复合振动钻削装置对叠层构件振动加工示意图；
图2为振动刀柄剖面图；
图3为振动控制系统结构框图；
图4为使用本发明复合振动钻削装置对叠层构件振动加工的流程图；
图5为声发射/扭矩信号自动识别流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种复合振动钻削装置及加工方法进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
本发明中的加工，特指钻削加工。
振动加工有别于传统加工，其本质是在传统加工的基础上复合以不同频率、方式的振动，使得被加工工件质量改善的一种方法，除了振动发生器之外，其他设备结构与传统加工相同。
如图1所示，一种复合振动钻削装置，包括机床主轴电机1、振动刀柄2、钻头3、振动控制系统和电源6。振动刀柄2由机床夹持，钻头3由振动刀柄2夹持。
加工过程中，由机床主轴带动振动刀柄2转动，转速与进给由机床决定，由振动控制器80（图3 所示）控制产生轴向振动，通过刀具连接口27（图2所示）将此种运动传递给钻头3，实现钻头3在对工件4加工过程中振动辅助钻削。
如图3所示，振动控制系统包括监测系统50和执行系统100。监测系统50包括振动控制器80、加工状态监测器51、信号处理器52、声发射传感器61、声信号处理器62；振动控制器80是振动控制系统的核心部件，通过加工状态监测器51、信号处理器52来判断振动状态。振动控制器80也可以通过声发射传感器61、声信号处理器62来判断振动状态。监测系统还包括可编程逻辑控制器（PLC）71。振动控制器80通过读取可编程逻辑控制器（PLC）71来判断振动状态。振动控制器80并对低频振动执行机构9、压电陶瓷组件5下达指令，达到控制振动形式的效果。
执行系统包括低频振动发生器、超声振动发生器、步进电机22
、伺服驱动电机101、一对电刷28。振动控制器80通过伺服驱动电机101和步进电机22控制低频振动发生器，振动控制器通过电刷28控制超声振动发生器。
如图2所示，执行系统安装在振动刀柄2中。振动刀柄还设置有止动块21、内冷却管11，步进电机22安装在止动块21中，步进电机22用于控制低频振动发生器。振动刀柄2还包括主轴接口212、刀具连接口27和连接器210，主轴接口212用于连接机床主轴，刀具连接口27用于连接钻头3，连接器210将旋转运动从主轴经低频振动发生器或超声振动发生器传递至刀具连接口27。
低频振动发生器包括低频振动控制机构23、低频振动执行机构29和低频振动发生器外壳24。超声振动发生器包括压电陶瓷组件25、超声电源111和超声振动发生器外壳26。振动控制器80通过控制伺服驱动电机101驱动步进电机22，进而控制低频振动执行机构29。振动控制器80通过超声电源111控制压电陶瓷组件的振动参数。
加工过程中，主轴接口212连接主轴，并通过连接器210将旋转运动传递给振动刀柄2下半部分，即超声振动发生器外壳26，进而通过刀具连接口27将旋转运动传递给刀具。加工过程中，如需低频轴向振动，则可以通过对步进电机22输入指令，使其控制振动控制机构23，对低频振动执行机构29进行调整，使得振动刀柄2获得低频振动，或者改变振动参数。加工过程中如果需要获得超声振动，则需要通过电刷28，使得电能通过静止端传递给旋转端，并最终输送给压电陶瓷组件5，使其发生超声振动，或者调整振动参数。
低频振动发生器采用凸轮装置，能够实现振幅500μm以下的定频转比振动，转速可以达到8000rpm；超声振动发生器，能够实现振幅20μm以下，频率在15KHz~60KHz的高频振动。
本发明装置和方法应用于的难加工材料可以是单层难加工材料，例如：钛合金、碳纤维增强复合材料（CFRP）、陶瓷等；也可以是多种难加工材料组成的叠层构件，例如钛合金/CFRP叠层构件、钛合金、陶瓷叠层构件等。
如图4所示，一种使用上述复合振动钻削装置的加工方法，包括以下步骤：
判断是否对工件厚度和空间位置已知：如果已知，则通过手动编程的方式，进行振动加工；如果不清楚工件厚度或空间位置，则通过自动识别的方法，对振动形式进行判断，然后进行振动加工。在低频振动控制方面，振动控制器80，可以控制伺服驱动电机101，用于驱动步进电机2，以达到控制低频振动执行机构9的目的。在超声振动控制方面，可以控制超声电源111，用于控制压电陶瓷组件5的振动参数。
如图5所示，具体来说，自动识别的方法采用声发射方法或者扭矩信号识别方法。自动识别的方法首先需要提取不同材料的入钻信号及出钻信号，以及钻头从一种材料过度到另一种材料时的特征信号，建立特征信号与振动形式转变的对应关系，并以此建立数据库。
叠层结构交界面的振动形式选择，则由工件加工质量决定，具体数据需要通过工艺试验获得。例如，钻削CFRP/Ti叠层构件时，当钻头刚接触钛合金层时，振动形式即由超声振动转变为低频振动；而钻削Ti/CFRP叠层构件时，则需要钻头完全进入CFRP层，再将振动形式由低频振动转变为超声振动，这样不会带来钻头过热的情况，避免了CFRP材料在交界面处产生烧伤情况。
具体来说，声发射方法包括以下步骤：
通过声发射传感器61，输入声发射信号给声信号处理器62，并对声发射信号做典型特征识别，对特征进行判断后，将判断结果输送给振动控制器80。
扭矩信号识别方法包括以下步骤：
通过加工状态监测器51，监测机床主轴电机1的转速n与功率P，进而由信号处理器52进行数据处理，并由公式T=9550P/n，计算得出钻削工作扭矩T，由于不同材料属性的材料的钻削扭矩相差巨大，相同加工参数下，CFRP材料的钻削扭矩远小于钛合金的钻削扭矩，因此可对扭矩T做典型特征识别，并对特征进行判断，进而将判断结果输送给振动控制器80，由振动控制器确定振动辅助加工类型。
当声发射/扭矩信号被采集后，首先进行低通滤波处理，以去除杂波对于信号识别的干扰，进而进行特征提取，具体采样点数量依据实际需求进行确定，特征识别方法可以是斜率判断法、极值判断法等，如果提取的信号特征与数据库特征比对成功，则进行振动形式的转变，如果提取的信号不能和数据库中的特征进行匹配，则进行下一次信号采集。
进一步的，工件振动形式的选择，由工件加工质量决定，具体数据通过工艺试验获得。
基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。
Claims (5)
1.一种使用复合振动钻削装置进行加工的方法，其特征在于，包括以下步骤：
判断是否对工件厚度和空间位置已知：如果已知，则通过手动编程的方式，进行振动加工；如果不清楚工件厚度或空间位置，则通过自动识别的方法，对振动形式进行判断，然后进行振动加工；
自动识别的方法采用声发射方法或者扭矩信号识别方法；
所述声发射方法包括以下步骤：
11）通过声发射传感器，输入声发射信号给信号处理器，并对声发射信号做典型特征识别，对特征进行判断后，将判断结果输送给振动控制器；由振动控制器确定振动辅助加工类型；
所述扭矩信号识别方法包括以下步骤：
21）通过加工状态监测器监测机床主轴电机的转速与功率，进而由信号处理器进行数据处理，并计算出钻削工作扭矩；
22）对扭矩做典型特征识别，并对特征进行判断，进而将判断结果输送给振动控制器，由振动控制器确定振动辅助加工类型；
所述复合振动钻削装置，包括机床主轴电机和钻头，其特征在于，还包括振动刀柄和振动控制系统；所述振动刀柄由机床夹持，所述钻头由所述振动刀柄夹持；
所述振动控制系统包括监测系统和执行系统；所述监测系统包括振动控制器、加工状态监测器、信号处理器；所述振动控制器通过加工状态监测器、信号处理器来判断振动状态；所述执行系统包括低频振动发生器、超声振动发生器、步进电机、伺服驱动电机、电刷；所述振动控制器通过伺服驱动电机和步进电机控制低频振动发生器，所述振动控制器通过电刷控制超声振动发生器；
所述执行系统安装在振动刀柄中；所述振动刀柄还设置有止动块，所述步进电机安装在止动块中，所述步进电机用于控制低频振动发生器；振动刀柄还包括主轴接口、刀具连接口和连接器，所述主轴接口用于连接机床主轴，所述刀具连接口用于连接钻头，所述连接器将旋转运动从主轴经低频振动发生器或超声振动发生器传递至刀具连接口；
将所述振动控制器通过加工状态监测器、信号处理替换为声发射传感器、声信号处理器，所述振动控制器通过声发射传感器、声信号处理器来判断振动状态；
所述监测系统还包括可编程逻辑控制器；所述振动控制器通过读取可编程逻辑控制器来判断振动状态；
所述低频振动发生器包括低频振动控制机构 、低频振动执行机构和低频振动发生器外壳；所述超声振动发生器包括压电陶瓷组件、超声电源和超声振动发生器外壳；所述振动控制器通过控制伺服驱动电机驱动步进电机，进而控制低频振动执行机构；所述振动控制器通过超声电源控制压电陶瓷组件的振动参数；
所述低频振动发生器采用凸轮装置，能够实现振幅500μm以下的定频转比振动，转速可以达到8000rpm；所述超声振动发生器，能够实现振幅20μm以下，频率在15KHz~60KHz的高频振动。
2.根据权利要求1所述的使用复合振动钻削装置进行加工的方法，其特征在于，所述通过手动编程的方式，进行振动加工的过程如下：
通过预先设定振动转变时间点，并存储于可编程逻辑控制器中，到达预定时间后，将结果输送给振动控制器，进行振动加工。
3.根据权利要求2所述的使用复合振动钻削装置进行加工的方法，其特征在于，所述声发射方法或者扭矩信号识别方法采集信号后，首先进行低通滤波处理，以去除杂波对于信号识别的干扰，进而进行特征提取；具体采样点数量依据实际需求进行确定，特征识别方法采用斜率判断法或者极值判断法；如果提取的信号特征与数据库特征比对成功，则进行振动形式的转变，如果提取的信号不能和数据库中的特征进行匹配，则进行下一次信号采集。
4.根据权利要求1至3任一项所述的使用复合振动钻削装置进行加工的方法，其特征在于，所述工件振动形式的选择，由工件加工质量决定，具体数据通过工艺试验获得。
5.根据权利要求4所述的使用复合振动钻削装置进行加工的方法，其特征在于，工件材料为韧性材料时，适宜选择低频振动加工方式；工件材料为脆性材料时，选择超声振动加工方式。
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