基于简谐振动断屑的自适应钻削加工方法技术

一种复合材料/合金叠层自动钻削装备实验平台，包括：监控反馈系统、简谐振动钻削系统和参数数据库系统，简谐振动钻削系统根据钻尖主切削刃的运动情况，在加工过程中建立切削刃轨迹与切削层厚度之间的关系图，从而根据切削刃运动轨迹计算得到实时切削层厚度并获得简谐振动钻削时进给方向切屑厚度模型，采用该模型对CFRP/Ti叠层的加工进行主动简谐振动断屑模拟并输出备用加工参数至参数数据库系统，参数数据库系统根据内置实测加工参数以及备用加工参数，通过实时采集伺服电机和电主轴的负载功率/电流数据输出匹配条件下的最优加工参数。本发明专利技术解决了CFRP/Ti叠层加工的钛合金切屑对CFRP层孔壁严重损伤的文图，显著地提高了加工质量，对类似复材金属叠层的加工具有十分有意义的参考价值。

【技术实现步骤摘要】
基于简谐振动断屑的自适应钻削加工方法
本专利技术涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是通过一定的判别算法识别被钻削材料的变化，并基于该材料切削刃轨迹及切削层厚曲线自动改变钻削加工参数，实现CFRP/Ti叠层钻削过程中稳定断屑的加工方法。
技术介绍
航空工业领域，C/A叠层构件通常作为承力构件，在钻削CFRP/Ti叠层材料时，连续带状的钛合金切屑会对CFRP层孔壁产生严重的损伤，制孔质量和精度难以保证，而合理地断屑工艺是解决这一问题的有效手段。在国外，已经有类似内嵌低频振动钻削装置的自动进给钻设备，例如法国MITIS公司设计制造的适用于自动进给钻的低频振动钻削装置(专利文献号WO2008000935、专利申请号PCT/IB2010/055191)，可以通过选择合适的频率，转速等参数实现稳定断屑。但此类设备一次加工只能提供一种参数，只适合单材料钻削，对于叠层钻孔需多次更改参数。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于简谐振动断屑的自适应钻削加工方法，从考虑简谐振动钻削时断屑的必要条件出发，通过包含协调振幅、振动频率、钻头转速及进给等参数的简谐振动钻削时进给方向切屑厚度模型对CFRP/Ti叠层的加工进行主动简谐振动断屑模拟，并通过材料快速识别最终得到能够实现优化加工质量的加工参数。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种复合材料/合金叠层自动钻削装备实验平台，包括：监控反馈系统、简谐振动钻削系统和参数数据库系统，其中：监控反馈系统实时监测制孔过程中电机的负载曲线、主轴转速变化曲线和进给速度变化曲线，通过阈值检测被钻削材料的变化并自动调整钻削被钻削叠层材料的加工参数；简谐振动钻削系统根据钻尖主切削刃的运动情况，在加工过程中建立切削刃轨迹与切削层厚度之间的关系图，从而根据切削刃运动轨迹计算得到实时切削层厚度并获得简谐振动钻削时进给方向切屑厚度模型，采用该模型对CFRP/Ti叠层的加工进行主动简谐振动断屑模拟并输出备用加工参数至参数数据库系统，参数数据库系统根据内置实测加工参数以及备用加工参数，通过实时采集伺服电机和电主轴的负载功率/电流数据输出匹配条件下的最优加工参数。所述的监控反馈系统根据负载功率/电流的变化情况，设定阈值确保不发生误判。其判别准则式具体为：或所述的监控反馈系统的识别总时间在300ms以内，该监控反馈系统包括：由左右驱动器、上下驱动器组成的电机驱动器、进给驱动器、多轴运动控制单元、数据采集单元和工控单元，其中：工控单元分别与多轴运动控制单元和据采集单元相连并传输实时电流、功率和转速信息，多轴运动控制单元分别与电机驱动器、进给驱动器以及电主轴相连并传输对应材料加工信息。所述的简谐振动钻削系统包括：依次相连的螺纹刀具、低频振动钻削装置、转接头和电主轴，电主轴的外侧进一步设有与低频振动钻削装置相接触的限位支架。所述的简谐振动钻削时进给方向切屑厚度模型为：其中：Hcut(t)为进给方向切屑厚度，Nv为振动的次数，N为主轴转速，A为振幅，f为进给量，t为时间，Nz为切削刃数。所述的对CFRP/Ti叠层的主动简谐振动断屑加工，是依据切屑厚度的模型，协调振幅、振动频率、钻头转速及进给等参数控制切屑尺寸的大小，获得孔壁最优加工质量。技术效果与现有技术相比，本专利技术依据切屑厚度模型协调振动频率、振动幅值、钻头转速及进给量等切削参数，并结合材料快速识别方法，解决了CFRP/Ti叠层加工的钛合金切屑对CFRP层孔壁严重损伤的文图，实现了一次性快速加工技术，显著地提高了加工质量和效率，对类似复材金属叠层的加工具有十分有意义的参考价值。附图说明图1为简谐振动钻削系统示意图；图中：螺纹刀具1、电主轴2、低频振动钻削装置3、转接头4、限位支架5；图2为监控反馈系统示意图；图中：电机驱动器6、左右驱动器6-1、上下驱动器6-2、进给驱动器7、多轴运动控制单元8、数据采集单元9和工控单元10。具体实施方式本实施例涉及一种复合材料/合金叠层自动钻削装备实验平台，包括：监控反馈系统、简谐振动钻削系统和参数数据库系统。如图1所示，所述的简谐振动钻削系统包括：依次相连的螺纹刀具1、低频振动钻削装置3、转接头4和电主轴2，电主轴2的外侧进一步设有与低频振动钻削装置3相接触的限位支架5。如图2所示，所述的监控反馈系统包括：由左右驱动器6-1、上下驱动器6-2组成的电机驱动器6、进给驱动器7、多轴运动控制单元8、数据采集单元9和工控单元10，其中：工控单元10分别与多轴运动控制单元8和据采集单元9相连并传输实时电流、功率和转速信息，多轴运动控制单元8分别与电机驱动器6、进给驱动器7以及电主轴2相连并传输对应材料加工信息。本实施例涉及上述平台的基于简谐动断屑的自适应钻削加工方法，包括如下步骤：步骤1：根据钻尖主切削刃的运动情况，在加工过程中建立切削刃轨迹与切削层厚度之间的关系图，从而根据切削刃运动轨迹计算得到实时切削层厚度和简谐振动钻削时进给方向切屑厚度模型：其中：Hcut(t)为进给方向切屑厚度，Nv为振动的次数，N为主轴转速，A为振幅，f为进给量，t为时间，Nz为切削刃数。步骤2：根据简谐振动钻削时进给方向切屑厚度模型实施CFRP/Ti叠层钻削CFRP孔壁表面损伤变化实验，即主动简谐振动断屑模拟，从而获得孔壁质量最佳时的切屑尺寸并记录其对应的备用加工参数，通过重复步骤2得到参数数据库系统。步骤3：采集电主轴钻削过程中实时输出负载电流、功率和转速等参数信息，通过控制系统内置阈值，其判别准则式具体为：或识别被钻削材料的种类并自动匹配最优钻削参数。简谐振动断屑自适应钻削加工的加工效果验证如下：本实施例采用的振幅和频率分别为A＝0.20mm、Nv＝1.5osc/rev、钻头主切削刃数Nz＝2，转速n＝5000rpm，每齿进给量fz＝0.5mm/s的断屑参数对工件复材进行加工，转速n＝2500rpm，每齿进给量fz＝0.15mm/s的断屑参数对钛合金工件。本方法针对CFRP/Ti叠层钻削，钛合金切削对CFRP孔内壁严重损伤的现象，通过钻尖主切削刃的运动情况分析，获得合适的振动频率，结合振幅与切削刃轨迹、进给量和切削厚度之间的关系，分析不同振幅和进给量的断屑情况，并通过CFRP孔壁表面损伤变化实验优化切削参数，使得得到优化后的切削参数：振幅A＝0.20mm、振动频率Nv＝1.5osc/rev、钻头主切削刃数Nz＝2，转速n＝5000rpm，每齿进给量fz＝0.5mm/s能实现稳定简谐振动断屑并获得最好的孔壁质量。所述的基于切削刃轨迹及切削层厚曲线的简谐振动断屑的自适应钻削加工方法解决了CFRP/Ti叠层加工的切削钛合金切屑对CFRP孔内壁的严重伤害问题，通过协调切削参数，显著地提高了断屑稳定性，通过材料识别自适应变参数钻削解决了叠层钻削的材料差异问题，实现了一次性钻削性，在显著改善了叠层加工的质量的同时提高了加工效率。本专利技术也适用于类似CFRP/Ti等复材金属叠层的加工。上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本专利技术原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本专利技术的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本专利技术之约束。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料/合金叠层自动钻削装备实验平台，其特征在于，包括：监控反馈系统、简谐振动钻削系统和参数数据库系统，其中：监控反馈系统实时监测制孔过程中电机的负载曲线、主轴转速变化曲线和进给速度变化曲线，通过阈值检测被钻削材料的变化并自动调整钻削被钻削叠层材料的加工参数；简谐振动钻削系统根据钻尖主切削刃的运动情况，在加工过程中建立切削刃轨迹与切削层厚度之间的关系图，从而根据切削刃运动轨迹计算得到实时切削层厚度并获得简谐振动钻削时进给方向切屑厚度模型，采用该模型对CFRP/Ti叠层的加工进行主动简谐振动断屑模拟并输出备用加工参数至参数数据库系统，参数数据库系统根据内置实测加工参数以及备用加工参数，通过实时采集伺服电机和电主轴的负载功率/电流数据输出匹配条件下的最优加工参数。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料/合金叠层自动钻削装备实验平台，其特征在于，包括：监控反馈系统、简谐振动钻削系统和参数数据库系统，其中：监控反馈系统实时监测制孔过程中电机的负载曲线、主轴转速变化曲线和进给速度变化曲线，通过阈值检测被钻削材料的变化并自动调整钻削被钻削叠层材料的加工参数；简谐振动钻削系统根据钻尖主切削刃的运动情况，在加工过程中建立切削刃轨迹与切削层厚度之间的关系图，从而根据切削刃运动轨迹计算得到实时切削层厚度并获得简谐振动钻削时进给方向切屑厚度模型，采用该模型对CFRP/Ti叠层的加工进行主动简谐振动断屑模拟并输出备用加工参数至参数数据库系统，参数数据库系统根据内置实测加工参数以及备用加工参数，通过实时采集伺服电机和电主轴的负载功率/电流数据输出匹配条件下的最优加工参数。2.根据权利要求1所述的复合材料/合金叠层自动钻削装备实验平台，其特征是，所述的简谐振动钻削系统包括：依次相连的螺纹刀具、低频振动钻削装置、转接头和电主轴，电主轴的外侧进一步设有与低频振动钻削装置相接触的限位支架。3.根据权利要求1所述的复合材料/合金叠层自动钻削装备实验平台，其特征是，所述的监控反馈系统根据负载功率/电流的变化情况，设定阈值确保不发生误判。其判别准则式具体为：或所述的监控反馈系统的识别总时间在300ms以内，该监控反馈系统包括：由左右驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明，密思佩，王昌嬴，安庆龙，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31