一种叠层结构制孔过程中的孔径控制方法及装置

技术领域

本发明属于高精密制孔技术领域，具体涉及一种叠层结构制孔过程中的孔径控制方法及装置。

背景技术

螺栓连接和铆接是飞机装配中最常用的部件连接方式，这种机械连接方式需要制备大量的装配孔。为了提高制孔效率，叠层结构制孔时通常会使用一把钻头以一次钻削的方式进行制孔加工。例如对于碳纤维增强树脂基复合材料/钛合金叠层结构，碳纤维增强树脂基复合材料通常在加工后表现为孔径小于钻头直径，而钛合金则表现为孔径大于钻头直径，尽管单层材料内部孔径公差较小，但对于叠层结构整体而言，其制孔孔径公差则达到了较大的数值，造成制孔质量下降。

同时在珩磨工艺中，冷却润滑介质被用于驱动珩磨条的运动，改变珩磨条与孔壁的压力变化，从而实现珩磨加工中孔径的调整。尽管冷却润滑介质常备用于控制珩磨工艺中的孔径，但珩磨工艺与上文提到的叠层结构的钻削工艺，无论是工具结构还是控制方法，均有着显著的区别，无法运用于本文所述应用之中。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对叠层结构制孔时，控制钻头直径的微调，实现对叠层结构的制孔孔径主动控制，提高叠层材料制孔孔径精度。

技术方案：一种叠层结构制孔过程中的孔径控制方法，包括以下步骤：

S1，录入对应的制孔参数至工艺数据库，获取不同材料构成的叠层结构中的最佳冷却润滑方式；

S2，基于N种不同材料构成的叠层结构，结合S1中的最佳冷却润滑方式，设计加工策略；

S3，判断钻头在叠层结构中的位置；

S4，执行对应的加工步骤。

在进一步的实施例中，S2中的加工策略的内容包括N种材料层内的冷却润滑方式、N-1种叠层界面的冷却润滑方式以及钻头直径的微调。

在进一步的实施例中，S3中判断钻头在叠层结构中的位置的方法为，将钻头的局部设计为感应部，所述感应部设置直径微调机构，所述直径微调机构用于感应制孔时，叠层结构内的直径变化。

在进一步的实施例中，包括用于制孔的钻头、设置在所述钻头内的内冷通道、连接于所述内冷通道输入端的连接管的一端、连接于所述连接管另一端的控制单元，连接于所述内冷通道输出端的直径微调机构，所述直径微调机构被设置在钻头的圆周上。

在进一步的实施例中，所述控制单元通过控制内冷通道内的冷却润滑的压力，控制所述直径微调机构改变钻头的局部直径。

在进一步的实施例中，还包括位置感知器，所述位置感知器接入控制单元，所述位置感知器用于感知钻头在叠层结构中的位置，并将位置信息发送至控制单元。

在进一步的实施例中，所述内冷通道与连接管的连接处通过旋转接头加固。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：在加工叠层结构的不同材料层时，可根据其加工对象的材料特性与刀具磨损状态，选择合适的冷却介质压力与类型，实现特制钻头直径的微调，从而减少由不同材料组成的叠层结构孔径公差。

附图说明

图1是本发明中的复合材料/金属叠层结构自适应加工的制孔装置原理图。

图2是本发明中的叠层结构制孔孔径自适应控制的流程图。

图3为具备直径微调功能的钻头示意图。

图4为具备直径微调功能的钻头剖视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

实施例1

基于上述背景中提到的技术问题，本实施例提出一种针对叠层结构制孔过程中的孔径控制方法，具体包括以下内容：

钻削加工开始时，首先将被加工材料、加工刀具、目标孔径等数据输入至加工系统，并通过与工艺数据库进行比对，得到叠层结构中单层材料以及叠层结构中不同叠层界面的最佳冷却润滑方式。

其中，若存在2种不同材料构成的叠层结构，则加工工艺策略分为2种材料层内的冷却润滑方式，以及1种叠层界面的冷却润滑方式。

若存在n种不同材料构成的叠层结构，则加工工艺策略分为n种材料层内的冷却润滑方式，以及n-1种叠层界面的冷却润滑方式。

此处，工艺数据库，需根据加工试验与理论建模相结合的方法获得。工艺数据库，就是根据现有工艺知识进行总结归纳，形成的一些工艺专用基础数据。本实施例中的工艺数据库就是通过试验等方法，建立了冷却压力与刀具、材料、制孔孔径的联系等相关数据的数据库。

其中上述加工试验，指的是通过使用钻头3，在已知冷却液压力的条件下，对特定材料进行钻孔加工，并最终测量所制孔的孔径尺寸。

步骤二、在钻削实际加工中，通过检测方法判断钻头3直径可变化部分所处的位置，若达到预设策略中预设的加工位置，则执行预设冷却润滑方法。判断钻头在叠层中位置的方法有很多方式，例如可以测量板厚，计算相对位置。此处预设策略，指的是加工前针对目标叠层材料制定的制孔策略，例如在叠层材料A组分中使用冷却液压力a，在叠层材料B组分中使用冷却液压力b。

本实施例中的加工策略的内容包括N种材料层内的冷却润滑方式、N-1种叠层界面的冷却润滑方式以及钻头3直径的微调。

本实施例除了对由两种材料组成的叠层结构进行制孔孔径的自适应调整外，其优势还在于其可针对两种及两种以上的叠层结构进行孔径调整。

由于其对孔径控制的独立性，因此其可根据刀具磨损情况，实时调整冷却润滑策略，从而实现刀具磨损对孔径影响的在线补偿。

实施例2

基于实施例1的叠层结构制孔过程中的孔径控制方法，本实施例提出一种具体的实施装置，钻头3、内冷通道8、连接管6、控制单元5、直径微调机构4、位置感知器9和旋转接头7，如图1所示，本实施例以叠层结构的钛合金材料层1、叠层结构的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层2为例进行解释说明，钻头3上安装直径微调机构4。该微调机构4为现有技术，在此不再赘述。钻头3内部安装内冷通道8，内冷通道8的输出端连接直径微调机构4，内冷通道8的输入端连接通过旋转接头7与连接管6相连接，连接管6的另一端连接控制单元5，同时将位置感知器9接入控制单元5用于感应钻头3的位置。

图3展示了一种具有直径微调机构的钻头示意图，钻头主要包括钻杆11、钻尖12、直径微调机构13，钻杆的作用是用于提供钻头夹持位置以及排屑槽，钻尖的起到钻削工艺中去除材料的作用，由于该钻头需要安装直径微调机构，因此钻头采用了分体式设计，钻尖与钻杆以螺钉14固定连接。

具备直径微调功能的钻头，其结构的剖视图如图4所示，钻杆后端存在一个内部中空、外部螺纹结构的螺杆18，其作用是限制顶杆16的回退、起到输送冷却液压力的作用。

工作过程中，冷却液经过螺杆18的内孔，进入顶杆后部的空腔内，由于密封环17的作用，冷却液不能进入顶杆前方，仅能以一定压力作用在顶杆后部，对其施加作用压力，确保了顶杆在受到压力后，仅会沿钻头轴向单向运动。

顶杆16将液体压力传递给前端，抵消弹簧15的回复力、材料切削过程的回弹力后，将钻头可调节副刃13向外顶出，由于钻头可调节副刃13与顶杆16的接触面呈现楔形，因此，顶杆轴向的伸缩，会带来钻头可调节副刃13径向的膨胀。顶杆后端冷却液压力越大，顶杆承受的单向作用力越大，顶杆轴向的伸缩量越大，钻头可调节副刃的径向膨胀量越大，从而实现了通过冷却介质压力控制钻头可调节副刃直径，进而控制钻孔直径的目的。

本实施例中的控制单元5被设置为通过增减内冷通道8内的冷却润滑的压力，控制所述直径微调机构4，进而改变钻头3的感应部的直径。

由于叠层结构中不同材料之间物理性能的差异，所制孔孔径存在着较大的差异。

下述表格为叠层结构中各组分的材料属性

通常相同的刀具钻削CFRP层制孔孔径小于刀具直径，钻削钛合金层制孔孔径大于刀具直径。

因此，对于钛合金/CFRP叠层结构，当位置感知器感知到钻头3直径微调机构4处于钛合金层1时，则机床控制系统会根据预设策略，向冷却润滑控制单元发送指令，则控制单元5就会通过PLC给比例阀发送指令，压力传感器反馈压力给PLC的方式开始降低冷却介质压力，因此输入到钻头3上的直径微调机构4上的压力就会减小，直径微调机构4收缩，制孔孔径就会相对减小。

当位置感知器9感知到钻头3直径微调机构4处于CFRP层2时，控制单元5就会通过例如增加比例阀开度的方式开始增加冷却介质压力，因此输入到钻头3直径微调机构4上的压力就会增加，钻头3处于大直径状态，CFRP层制孔孔径就会相对增加。

相比于传统制孔方法，本装置可实现钛合金层制孔孔径的相对增加、CFRP制孔孔径的相对减小，则钛合金/CFRP叠层结构制孔孔径的差值则会减小，实现叠层结构制孔孔径公差的减小。

实施例3

与实施例1不同的是，本实施例中的叠层结构指的是包括至少两层不同材料组成的结构。

实施例4

与实施例1不同的是，本实施例中钻头3的直径调整，可以是钻头3主切削刃直径的调整，或者是钻头3副切削刃直径的调整。

实施例5

基于实施例2的内容，本实施例中的钻削加工可以为传统制孔技术，也可为低频振动辅助制孔技术、超声振动辅助制孔技术等特种钻削加工技术。