CN109108317A - 适用于cfrp/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法。本方法在叠层材料钻削过程中对刀具和（或）工件施加上超声振动和（或）低频振动，根据钻削过程中不同的钻削对象，附加上不同的振动方式分别抑制各层的加工缺陷，获得每层材料的最优钻削效果。本方法通过数控系统对振动装置进行控制，可以实现叠层材料高低频复合振动钻削过程的自动化操作。本方法可以根据加工对象选择超声振动和（或）低频振动加工方式，避免了单一振动方式在加工碳纤维复合材料（CFRP）和钛（铝）合金叠层材料时难以同时兼顾的缺陷。

Description

适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法
技术领域
本发明属于精密加工技术领域，尤其涉及一种适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法。
背景技术
随着我国航空业的发展，飞机制造领域对于高性能航空材料的需求越来越大。航空叠层材料是一种新型航空材料，它是以碳纤维复合材料（CFRP）和钛（铝）合金为组成单元的复合材料。碳纤维具有比强度、比模量高、抗疲劳性能好、耐热性能优良的特点。钛合金是一种重要的航空金属，机械强度大，质量轻。
实际用应时，航空叠层复合材料以铆接为主，所以需要对叠层复合材料进行孔加工。碳纤维硬度大，钛合金化学性质活泼，它们都会对刀具造成严重的磨损，磨损的刀具会造成切削力和切削热增大，当温度超过200摄氏度会熔化碳纤维复合材料中的树脂，造成黏刀，当温度继续升高时还可能会引燃切屑，造成安全事故。另外，这两种材料组合成叠层材料后，材料接合面处的力学特性和导热率会发生阶跃变化，使刀具受到阶跃的力热冲击，极易造成刀具崩刃和折断。除此以外，碳纤维复合材料和钛（铝）合金的叠层顺序对工序也有影响，当碳纤维复合材料在钛（铝）合金上面时，钻削碳纤维的时候，钛（铝）合金可作为碳纤维的垫板，此种情况下碳纤维复合材料不易分层。当碳纤维复合材料在钛合金下方时，碳纤维复合材料自身刚度小，层间剪切强度低，在没有支撑的条件下及易发生分层缺陷。
孔加工方式如水射流、高能粒子束和电火花等不适合于航空叠层材料孔的加工，因为碳纤维吸收液体后自身性能会变差，故实际工中均采用干切削；高能粒子束、电火花则会造成孔壁热损伤，所以叠层材料的孔加工仍主要为机械加工。
振动钻削是断续切削，这种工艺有利于断屑，并且振动钻削有利于降低轴向力和刀具磨损。超声振动钻削适合加工难加工材料，对于碳纤维材料，超声振动钻削利于切断毛刺，降低粗糙度并提高孔壁质量。但是超声振动钻削钛（铝）合金时会造成切削热的上升，所以一般钛（铝）合金宜采用低频轴向振动钻削。以往的振动钻削一般采用单一的振动辅助形式，无法应对不同叠层材料的特性，不利于获得好的加工质量。此外影响加工质量的参数有钻削参数、振动频率、振幅和振动形式等，参数众多，如采用传统的人工操作方式，则工序繁琐，不利于大批量的制造加工。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法，旨在解决现有叠层材料钻孔技术的不足。
本发明是这样实现的，适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法包括以下步骤：
步骤1：根据叠层材料中碳纤维复合材料层和金属层的叠放顺序和各层厚度，分析计算钻削过程钻头所处的几个特殊位置；
步骤2：如图1，设钻头（4）的进给行程为OABCD，钻头进给时，在从O到B和从C到D的过程中，被加工材料类型唯一，当钻头在金属层内钻削时，采用低频振动辅助钻削方式进行钻削；
步骤3：当钻头在碳纤维复合材料层内钻削时，采用超声振动辅助钻削方式进行钻削；
步骤4：钻头在从B到C过程中，即钻头在碳纤维复合材料层与金属层结合面处钻削时，同时采用超声振动和低频振动的复合振动辅助钻削方式进行钻削。
钻削时根据叠层材料的叠放顺序，可以调整钻削用量：当OB区间为碳纤维复合材料层时，增大进给速度；当CD区间为碳纤维复合材料层在时，减小进给速度并提高转速。
钻削时可将振动单元的控制器和机床的控制系统PLC相连，根据被加工叠层材料的厚度和材质特性，设置钻削参数和振动参数，在加工中心（1）的CNC控制面板上编程控制整个钻削流程，实现叠层材料高低频复合振动钻削过程的自动化操作。
本发明克服现有技术方法的不足，利用高低频复合振动钻削方式对CFRP/钛（铝）合金叠层材料进行钻孔加工，可以减少材料分层缺陷、降低切削热损伤并且减小刀具磨损，实现叠层材料孔的高质量加工。同时采用本方法，通过数控系统对振动装置进行控制，可以实现叠层材料高低频复合振动钻削过程的自动化操作。
附图说明
图1是本发明的叠层材料复合振动钻削工艺示意图；
图2是本发明的加工设备的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，以刀具上施加超声振动并且工件施加低频振动的复合振动钻削为例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实际操作过程中，可以通过调整振动施加的对象，实现不同形式的复合振动钻削方法，如：(1)在刀具上施加超声振动和在工件上施加低频振动的复合振动钻削方法；(2)在刀具上施加低频振动和在工件上施加超声频振动的复合振动钻削方法；(3)同时在刀具上施加超声振动和低频振动的复合振动钻削方法；(4) 同时在工件上施加超声振动和低频振动的复合振动钻削方法。
适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法，包括以下步骤：
（1）如图2，选择低频轴向振动的振动装置（7），将其装在通用立式加工中心（1）的工作台上，将叠层材料装夹在振动工作台上。振动装置（7）的控制器（9）由I/O接线口和立式加工中心（1）的CNC控制面板内部的的PLC控制器相连。立式加工中心（1）可在CNC控制面板上通过编程对振动装置7的参数进行调节和控制；
（2） 如图2，将无线供电传输装置（2）通过侧壁的螺钉固定于立式加工中心（1）的主轴箱上，控制器（8）通过电线与无线传输装置（2）相连。无线供电传输装置（2）内部原边线圈和超声刀柄（3）内部副边线圈通过电磁感应实现能量传输。超声刀柄（3）内部安装有换能器，把超声频电信号转换为超声频的机械振动，继而通过超声振动变幅杆和弹簧夹头，使钻头（4）产生轴向超声振动。超声刀柄（3）连同钻头（4）安装在立式加工中心（1）的主轴中。超声振动的控制器（8）由I/O接线口和立式加工中心（1）内部的PLC相连，立式加工中心（1）可在CNC控制面板上通过编程对超声振动的控制器（8）的振动参数进行调节；
（3） 如图2所示，从O到D为钻头（4）的行程。设碳纤维复合材料层和钛合金层的厚度各为1cm，材料的厚度参数在加工前已通过立式加工中心（1）的CNC控制面板板输入加工程序，程序会根据钻头进给的深度自动按编好的程序进行加工；
（4）当叠层材料的上层（5）为碳纤维复合材料层，下层（6）为钛合金层时，在这种叠层顺序下，钛合金层对碳纤维层有支撑作用，钻削碳纤维层时，碳纤维不易分层。钻头（4）在从O进给到B的过程中，机床自动切换到预先设置好的加工参数，进给速度不妨选为15mm/min，转速选为 6000r/min。并且在从O到 B的加工过程中，被加工材料为碳纤维，此过程应采用超声振动钻削，频率为35000Hz，振幅为5μm。当钻头（4）在从B到C的过程中，钻头（4）同时切削两种材料，此过程应同时采用超声振动和低频振动复合辅助加工，低频振幅可选为0.1mm，频率为100Hz。当钻头（4）通过C区间之后，钻削的材料只有钛合金，此时关闭超声振动，只采用低频振动辅助钻削；
（5）当叠层材料的上层（5）为钛合金层，下层（6）为碳纤维复合材料层时，碳纤维复合材料层下方失去支撑，容易分层。在加工钛合金层的时候，从O到B区间，机床自动切换到预先设置好的加工参数，转速不妨设为6000r/min，进给速度选为15mm/min，并且由于从O到B的区段加工的是钛合金材料，采用低频振动钻削，低频振幅不妨选为0.1mm，频率为100Hz。在B到C区间时，钻头（4）同时加工两种材料，此时同时施加超声振动和低频振动，超声振动方式不妨选择为轴向振动方式，频率为35000Hz，振幅为5μm，但是由于碳纤维容易分层，为减小分层损伤，此时进给量速度应有所下降，不妨选为5mm/min，为了提高材料去除率，转速可以提升至10000r/min。当钻头（4）在从C到D的区段时，转速和进给速度不变，关闭低频振动，只采用超声振动辅助钻削。
相比现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
本方法可以自由选择超声振动和低频振动加工方式，避免了单一振动方式在加工碳纤维复合材料和钛（铝）合金叠层材料时难以同时兼顾的缺陷。本方法针对不同材料采用不同的振动辅助钻削方式，并且在材料结合面处使用复合振动加工方式，减小了切削热损伤和分层损伤，提高了加工质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据叠层材料中碳纤维复合材料层和金属层的叠放顺序和各层厚度，分析计算钻削过程钻头所处的几个特殊位置；
步骤2：当钻头在金属层内钻削时，采用低频振动辅助钻削方式进行钻削；
步骤3：当钻头在碳纤维复合材料层内钻削时，采用超声频振动辅助钻削方式进行钻削；
步骤4：当钻头在碳纤维复合材料层与金属层结合面处钻削时，同时采用超声振动和低频振动的复合振动辅助钻削方式进行钻削。
2.如权利要求1所述的适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法，其特征在于：当碳纤维复合材料层在叠层材料的上部时，增大进给速度，当碳纤维复合材料层在叠层材料的下部时，减小进给速度并提高转速。
3.如权利要求1所述的适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法，其特征在于：通过数控系统同时对振动装置进行控制，实现叠层材料高低频复合振动钻削过程的自动化操作。
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