CN109334055A - 一种用于复合材料制件修复的在位加工装置 - Google Patents

Abstract

一种用于复合材料制件修复的在位加工装置，以覆盖式切削装置为基础结构，安装了可调式随型吸附足、加工功能装置、对刀装置和除尘装置。床身采用方型环设计，覆盖于待加工区域上；龙门式中空横梁安装于环形床身上，并由伺服电机与直线导轨副组成切削装置的X轴；筒型立柱与龙门式中空横梁连接，并由伺服电机与直线导轨副组成切削装置的Y轴；双摆头安装在筒型立柱上，并由伺服电机与直线导轨副组成切削装置的Z轴；电主轴安装于双摆头上，组成切削装置的A/C旋转轴。有益效果在于：可实现随型固定于具曲面结构的复材制件上，安装使用方便；切削加工作业准确迅速，自动化程度高，可以满足宽范围尺寸复材制件修复中内补式结构的低损、精准、高效加工。

Description

一种用于复合材料制件修复的在位加工装置

技术领域

本发明属于难加工材料切削加工装置研究领域，尤其涉及一种复合材料制 件修复用在位加工装置。

背景技术

高性能纤维增强复合材料具有比强度刚度高、性能可设计、可整体制造等 优点，已成为航空航天高端装备承力件制造的首选材料。使用该类先进复合材 料制造航空器承力构件，可大幅提高装备结构效率，提升装备品质。一般地， 纤维增强复合材料构件的制造过程为：铺放复合材料预制件、制件热压固化成 型、加工装配构件以及贯穿全过程的质量检测。成型过程中极易产生孔隙、分 层等多源、多形态的成型缺陷。同时，此类复合材料件在服役中，常会遭受低 速冲击损伤、离散源损伤和环境侵入损伤等多种类型的破损。一旦此类缺陷或 破损超出制造损伤容限，必须快速实施修复以恢复复合材料件的服役性能。尤其是主承力件，采用高质高效的修复技术恢复零部件的完整性和可靠性，以满 足此类复材件的高质高效制造与再制造要求，对保障航空航天装备的高可靠服 役和降低巨大的维护成本具有重要意义。

现阶段，纤维增强复合材料件修复主要采用胶结的方式。内补片胶接技术 作为一种常用的修复方式，在航空器制造与再制造中应用广泛。其过程为：切 除缺陷或受损部位周围的母体材料，形成阶梯式或斜削式内凹结构，后层层填 补与母体材料平齐的内补片，经热压固化后可达到原先构件的同样强度。其中， 周围材料的低损、快速切除极为关键，其加工质量及效率直接决定了构件修复 成本及修复后的承载能力。

目前，国内外航空企业仍主要采用通过砂轮机及砂纸进行手工逐层打磨的 方式完成周围材料的切削加工。然而，由于纤维增强复合材料具有层叠特征、 非均质、层间强度低等特点，现有技术对此类复合材料件的加工适应性差，导 致加工质量差、效率低问题突出，具体表现在两方面：一方面，加工尺寸及切 削用量控制难，易形成过切、机械损伤及内部缺陷的扩展，加工质量差，难以 满足航空器制造中苛刻的尺寸精度及损伤容限控制要求；尤其对于航空器复材 主承力件来说，其空气动力光顺、质量平衡及强度需求等设计规范对切除质量 提出了更为严格的要求。手工打磨时，依靠肉眼观测来判断是否到达缺陷位置 及确定待加工区域，难以准确把控百微米级切除深度及阶梯尺寸，易造成过切 问题；同时，机械损伤及内部缺陷的扩展对切削载荷极其敏感，手工难以合理 控制切削用量，极易因切削用量过大而导致切削载荷过大，进而诱发机械损伤 及内部缺陷的扩展等问题；上述问题大大增加了修补难度及构件报废的风险。 另一方面，切削用量保守，质量保持性差、废品率高，制造成本居高不下、加 工效率低，难以满足航空器的批产需求；修复中采用内凹结构的小斜度设计， 致使缺陷位置周围材料的切除量大，随着航空航天装备复材件尺寸的增大及批 产，切削加工量将大幅增加。为了满足苛刻的修复技术要求，只能以极为保守 的微量打磨来降低机械损伤及缺陷扩展的可能；同时，由于工人熟练程度的差 异及随机性失误，致使单件不同部位或多件间的尺寸及损伤控制一致性难以保 证，废品率高，加工效率低。此外，现有技术只能将复材零部件拆卸后，方可 利用数控机床进行切削加工，此类薄壁弱刚性复材件在拆卸、装夹及二次装配 过程中极易变形，加工难度大，耗时耗力。

美国商用飞机复合材料修理委员会CACRC表示有关民机复合材料修复的很 多关键问题多年来仍没有得到全面彻底地解决。同时，以欧美为代表的航空发 达国家仍在不断探索和深入研究复合材料构件的维修方法、工艺、设备及适航 审定的相关基础理论与关键技术，并以之为基础，力图形成飞机复合材料构件 维修技术标准与规范。综上，工程实际中尚无可实现此类纤维增强复合材料件 内补式结构的高质高效加工装置，无法满足日益迫切的纤维增强类先进复合材 料构件低损伤、高效率加工需求。

发明内容

本发明的目的就是为了解决复合材料制件修复加工困难、加工质量差、效 率低的问题，提供一种具有随型吸附、多轴联动、覆盖式切削以及随动除尘功 能的纤维增强复合材料件修复用在位加工装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，将加工装置快速固定在 复合材料件上，架设在损伤部位上，采用计算机系统自动快速检测定位复合材 料件损伤部位，根据损伤三维特征构件修复技术方案，通过修复方案自动控制 刀具实现复合材料件损伤部位三维特征的在位快速检测及重构；采用多轴联动 高速铣削装置，机械式快速实现复合材料修复中内补式结构的覆盖式低损伤、 高效切除，以此降低复合材料件的修复成本，提高复合材料件的修复质量及修 复后的承载能力。

本发明用于复合材料制件修复的在位加工装置，以覆盖式切削装置为基础 结构，包括了可调式随型吸附足调节固定装置、切削加工装置、对刀装置、除 尘装置和控制装置；所述可调式随型吸附足调节固定装置由仿生自吸吸盘、万 向球头和可调支架组成，万向球头固定安装设置在可调支架底部，仿生自吸吸 盘安装设置连接在万向球头上；所述切削加工装置是由环行床身、龙门式中空 横梁、电主轴筒型立柱、双摆头和刀具组成的X/Y/Z/A/C五轴联动结构；所述环 行床身沿水平横向设置有直线导轨副构成X轴，龙门式中空横梁安装设置在环行 床身的导轨上，由伺服电机控制沿X轴移动；所述龙门式中空横梁沿水平纵向设 置有直线导轨副构成Y轴，筒型立柱安装设置在龙门式中空横梁的导轨上，由伺 服电机控制沿Y轴移动；所述筒型立柱沿竖直方向设置有直线导轨副构成Z轴， 双摆头安装设置在筒型立柱的导轨上，由伺服电机控制沿Z轴移动；所述电主轴 安装设置在双摆头，构成A/C轴,由伺服电机控制沿A轴摆动、沿Z轴转动；所述电 主轴固定安装设置刀具；所述可调式随型吸附足调节固定装置通过可调支架固 定安装设置在环行床身的底部；所述切削加工装置通过可调式随型吸附足调节 固定装置覆的仿生自吸吸盘盖式固定在待加工区域上；所述对刀装置固定设置 在切削加工装置下方靠近待加工区域的工作面上；所述除尘装置安装在双摆头 上，对准切削位置；控制装置由主线、控制器和计算机系统组成，计算机系统控制连接控制器，控制器通过主线控制连接调节固定装置、切削加工装置、对 刀装置和除尘装置。

所述可调式随型吸附足调节固定装置沿环行床身底部一周均匀布置设置。

所述可调支架底部设置有并列的两组万向球头，两组万向球头上分别安装 连接有一个仿生自吸吸盘。

所述切削加工装置的环行床身采用矩形环状结构。

所述切削加工装置的C轴转动角度范围为±360°，A轴摆动角度范围为± 115°。

本发明的有益效果是：通过可调式随型吸附装置，使在位加工装置可靠地 固定于具曲面结构的复材制件上；通过无损检测装置及对刀装置，对待加工区 域的内补式结构进行快速重构，并结合内补式修复原则快速生成刀具轨迹；通 过覆盖式切削装置的多轴联动功能，实现损伤部位材料的逐层、低损伤、高效 切除。此外，通过设置随动除尘装置，实现切削过程中粉尘切屑的快速有效实 时收集。本发明通过环形床身设计、龙门式横梁设计，以及可调式随型吸附足 设计，空间布局合理，实现待加工区域的覆盖式在位切削加工；具有自动化程 度高、加工柔性好、加工质量好、效率高等特点，可以满足宽范围尺寸复材制 件修复中内补式结构的低损、精准、高效加工。

附图说明

附图1为本发明的在位加工装置主视图，

附图2为本发明的在位加工装置工作示意图。

其中：仿生自吸吸盘1，万向球头2，可调支架3，环行床身4，龙门式中空 横梁5，电主轴6，筒型立柱7，双摆头8，主线9，控制器10，计算机系统11，对 刀装置12，待加工区域13，刀具14，除尘装置15，机翼16。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施。

如附图1和2所示为本发明用于复合材料制件修复的在位加工装置在机翼16 等设备外形结构上的应用：

本发明用于复合材料制件修复的在位加工装置，包括了可调式随型吸附足 调节固定装置、切削加工装置、对刀装置12、除尘装置15和控制装置；所述调 节固定装置由仿生自吸吸盘1、万向球头2和可调支架3组成，万向球头2固定安 装设置在可调支架3底部，仿生自吸吸盘1安装设置连接在万向球头2上；所述切 削加工装置是由环行床身4、龙门式中空横梁5、电主轴6、筒型立柱7、双摆头8 和刀具14组成的X/Y/Z/A/C五轴联动结构；所述环行床身4沿水平横向设置有直 线导轨副构成X轴，龙门式中空横梁5安装设置在环行床身4的导轨上，由伺服电 机控制沿X轴移动；所述龙门式中空横梁5沿水平纵向设置有直线导轨副构成Y 轴，筒型立柱7安装设置在龙门式中空横梁5的导轨上，由伺服电机控制沿Y轴移 动；所述筒型立柱7沿竖直方向设置有直线导轨副构成Z轴，双摆头8安装设置在 筒型立柱7的导轨上，由伺服电机控制沿Z轴移动；所述电主轴6安装设置在双摆 头8，构成A/C轴,由伺服电机控制沿A轴摆动、沿Z轴转动；所述电主轴6固定安装 设置刀具14；所述可调式随型吸附足调节固定装置通过可调支架3固定安装设置 在环行床身4的底部；所述切削加工装置通过可调式随型吸附足调节固定装置的 仿生自吸吸盘1覆盖式固定在待加工区域13上；所述对刀装置12固定设置在切削 加工装置下方靠近待加工区域13的工作面上；所述除尘装置15安装在双摆头8 上，对准切削位置；控制装置由主线9、控制器10和计算机系统11组成，计算机 系统11控制连接控制器10，控制器10通过主线9控制连接调节固定装置、切削加 工装置、对刀装置12和除尘装置15。

所述可调式随型吸附足调节固定装置沿环行床身4底部一周均匀布置设置。

所述可调支架3底部设置有并列的两组万向球头2，两组万向球头2上分别安 装有一个仿生自吸吸盘1。

所述仿生自吸吸盘1采用仿生非光滑形态、高吸附性微结构设计。

所述切削加工装置的环行床身4采用矩形环状结构。

所述切削加工装置的C轴转动角度范围为±360°，A轴摆动角度范围为± 115°。

实施例

本发明用于复合材料制件修复的在位加工装置修补复合材料机翼16的待加 工区域13的具体实施过程：

1.将切削加工装置对准机翼16的待加工区域13，环形床身4完全覆盖在待加 工区域13上方，通过仿生自吸吸盘1吸附固定在机翼16上，使待加工区域13位于 环形床身4下方正中位置；

2.调节环形床身4周身下方的可调支架3，使切削加工装置的X轴与Y轴组成 的加工面与待加工区域13平行设置；

3.将对刀装置12安装于待加工区域13附近，在待加工区域13确立标记点；

4.启动计算机系统11与控制器10，以待加工区域13的标记点为基准，通过 计算机系统11建立工作坐标系；

5.通过计算机系统11设置加工参数，并生成加工代码，通过控制器10发送 指令，控制切削加工装置的X/Y/Z/A/C五轴联动作业，X轴最高直线运动速度为 20m/mi n，Y轴最高直线运动速度为20m/mi n，Z轴最高直线运动速度为20m/mi n， 电主轴6转速最高达36000rpm，双摆头8的C轴可±360°转动，A轴可±115°摆 动，从而联动控制刀具14完成对待加工区域13的切削加工，使待加工区域13损 伤处形成内补式结构，切削过程中除尘装置15自动跟随刀具14作业实时清除切 屑；

6.完成机翼16上待加工区域13损伤处的内补式结构，拆除在位加工装置， 进行填补修复。

通过上述本发明用于复合材料制件修复的在位加工装置，还可以对其他航 空航天飞行器、高速列车、风力发电机组等高端装备的复合材料构件的修复作 业提供损伤区域的切削加工作业，有效快捷的加工出内补式结构。具体通过随 型吸附足使加工装置可靠吸附于复合材料构件表面，通过快速无损检测技术， 利用计算机系统准确确定损伤/缺陷的形位数据，进而通过多轴联动实现近损伤 区域材料的逐层、低损、高效切除，形成无损内补式结构，从修复的第一步确 保修复质量及效率。

Claims (5)

1.一种用于复合材料制件修复的在位加工装置，其特征在于，包括了可调式随型吸附足调节固定装置、切削加工装置、对刀装置、除尘装置和控制装置；所述可调式随型吸附足调节固定装置由仿生自吸吸盘、万向球头和可调支架组成，万向球头固定安装设置在可调支架底部，仿生自吸吸盘安装设置连接在万向球头上；所述切削加工装置是由环行床身、龙门式中空横梁、电主轴筒型立柱、双摆头和刀具组成的X/Y/Z/A/C五轴联动结构；所述环行床身沿水平横向设置有直线导轨副构成X轴，龙门式中空横梁安装设置在环行床身的导轨上，由伺服电机控制沿X轴移动；所述龙门式中空横梁沿水平纵向设置有直线导轨副构成Y轴，筒型立柱安装设置在龙门式中空横梁的导轨上，由伺服电机控制沿Y轴移动；所述筒型立柱沿竖直方向设置有直线导轨副构成Z轴，双摆头安装设置在筒型立柱的导轨上，由伺服电机控制沿Z轴移动；所述电主轴安装设置在双摆头，构成A/C轴,由伺服电机控制沿A轴摆动、沿Z轴转动；所述电主轴固定安装设置刀具；所述可调式随型吸附足调节固定装置通过可调支架固定安装设置在环行床身的底部；所述切削加工装置通过可调式随型吸附足调节固定装置覆的仿生自吸吸盘盖式固定在待加工区域上；所述对刀装置固定设置在切削加工装置下方靠近待加工区域的工作面上；所述除尘装置安装在双摆头上，对准切削位置；控制装置由主线、控制器和计算机系统组成，计算机系统控制连接控制器，控制器通过主线控制连接调节固定装置、切削加工装置、对刀装置和除尘装置。

2.如权利要求1所述的用于复合材料制件修复的在位加工装置，其特征在于，所述可调式随型吸附足调节固定装置沿环行床身底部一周均匀布置设置。

3.如权利要求1所述的用于复合材料制件修复的在位加工装置，其特征在于，所述可调支架底部设置有并列的两组万向球头，两组万向球头上分别安装连接有一个仿生自吸吸盘。

4.如权利要求1所述的用于复合材料制件修复的在位加工装置，其特征在于，所述切削加工装置的环行床身采用矩形环状结构。

5.如权利要求1所述的用于复合材料制件修复的在位加工装置，其特征在于，所述切削加工装置的C轴转动角度范围为±360°，A轴摆动角度范围为±115°。