一种复合材料激光辅助制孔装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种复合材料激光辅助制孔装置，包括刀具制孔机构、激光辅助制孔机构和待制孔的复合材料制件；所述复合材料制件通过制件夹持机构安装在制孔工作区域内，所述激光辅助制孔机构用于对复合材料制件预制孔，所述刀具制孔机构用于对复合材料制件制孔。通过将传统的刀具制孔与激光制孔结合，激光制孔作为辅助，其预制孔将复合材料的表面切割，再进行刀具制孔，一定程度上减少了在复合材料出刀口的阻力，减轻制孔刀具的磨损，减少了层间撕裂、毛刺的出现频率，提升制孔质量的同时有利于制孔的批量化操作，实现生产线上的联机和自动化，具有良好的实用价值。具有良好的实用价值。具有良好的实用价值。

A laser assisted drilling device for composite materials

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料激光辅助制孔装置


[0001]本技术涉及一种复合材料激光辅助制孔装置。

技术介绍

[0002]在机械加工
，各种制孔技术快速发展，相应的制孔要求以及水平也越来越高；例如在航空航天领域，飞机曲面蒙皮的制孔技术直接决定着飞机的性能，承担着解决科研难题的重要责任。目前，制孔技术主要包括机械制孔和激光制孔。机械制孔是较为传统的制孔技术，其采用刀具进行打孔；激光制孔过程是通过激光和物质相互作用的热物理过程进行制孔。由于激光打孔速度快、效率高，对工件装夹的要求简单，易实现生产线上的联机和自动化，并且可实现斜面及复杂形状零件打孔，因此其应用越来越广泛。
[0003]然而，由于激光打孔过程是通过激光和物质相互作用的热物理过程，因此其也存在一定的限制。例如，采取激光打孔方式对以纤维为增强材料的复合材料进行制孔时，由于激光的温度较高容易影响制孔周围的复合材料性能；且由于激光打孔的质量受激光脉冲的能量，脉冲宽度，离焦量，脉冲激光的重复频率，被加工材料的性质等参数的影响，往往制成的孔存在一定的锥度，特别是针对超厚比的复合材料制件，锥度比较明显。
[0004]而航空领域对制孔的要求特别高，包括对孔壁垂直度要求，且纤维复合材料在航空领域应用越来越广泛，因此目前针对飞机曲面蒙皮等复合材料的制孔大多还是采取传统的机械制孔方式。然而，大多的复合材料（例如碳纤维材料）属于难加工材料，刀具在制孔过程中磨损较为严重；且容易在刀具寿命的后期，在制孔过程中产生层间撕裂、毛刺等问题，不仅影响到复合材料的性能，且直接影响着飞机的疲劳寿命和安全性能及其他与之相关的各项性能。
[0005]因此，如何实现复合材料高效制孔和高质量制孔成为复合材料制件生产制造中亟需解决的关键问题。

技术实现思路

[0006]针对上述存在的问题，本技术提供复合材料激光辅助制孔装置及其使用方法，通过将激光打孔和机械制孔的方式结合起来，借用激光打孔的优势在复合材料表面割断纤维层，一定程度上减少了在复合材料出刀口的阻力，降低刀具损伤程度；同时，由于表层纤维已经断裂，减少了层间撕裂、毛刺的出现频率。具体技术方案如下：
[0007]首先，本技术提供一种复合材料激光辅助制孔装置，包括刀具制孔机构、激光辅助制孔机构和待制孔的复合材料制件；所述复合材料制件通过制件夹持机构安装在制孔工作区域内，所述激光辅助制孔机构用于对复合材料制件预制孔，所述刀具制孔机构用于对复合材料制件制孔。
[0008]前述的复合材料激光辅助制孔装置，所述刀具制孔机构和激光辅助制孔机构均包括工业机器人，刀具制孔机构的刀具和激光辅助制孔机构的激光发射器均通过机器人夹爪分别安装在工业机器人的机械臂的末端，通过操控工业机器人对复合材料制件进行制孔操
作。
[0009]优选的，前述的复合材料激光辅助制孔装置，所述刀具制孔机构和激光辅助制孔机构还均包括视觉识别系统，用于识别复合材料制件位置和检测制孔的加工质量；且所述刀具制孔机构还包括压力传感器，用于实时检测制孔进给力的大小。
[0010]前述的复合材料激光辅助制孔装置，所述制件夹持机构包括固定在制孔工作区域内的夹持座和用于复合材料制件运输的AGV智能小车；所述AGV智能小车上设有用于夹持复合材料制件的制件夹持工装；所述夹持座用于夹持固定AGV智能小车。
[0011]优选的，前述的复合材料激光辅助制孔装置，所述制件夹持工装包括定位挡块和定位凹槽；所述复合材料制件通过定位挡块和定位凹槽立设在AGV智能小车上，并通过C型夹锁紧固定；所述刀具制孔机构和激光辅助制孔机构位于复合材料制件的一侧或两侧。
[0012]优选的，前述的复合材料激光辅助制孔装置，所述夹持座包括支撑底杆和设置在支撑底杆上端的夹持臂；所述支撑底杆通过螺栓固定在制孔工作区域的地面上，其上端装有电机；所述夹持臂位于支撑底杆的顶端，且与支撑底杆之间呈倒L型安装，其在电机的带动下能够围绕支撑底杆的顶端旋转，且旋转的角度不小于90
°
。
[0013]进一步优选的，前述的复合材料激光辅助制孔装置，所述夹持座为四个，其分别设置在AGV智能小车两侧的两端；所述夹持臂的末端还设有夹持垫块，用于与AGV智能小车夹持接触。
[0014]前述的复合材料激光辅助制孔装置的使用方法，包括如下步骤：
[0015]1）制件就位：将待加工的复合材料制件清理后通过制件夹持工装固定在在AGV智能小车上；驱动AGV智能小车将复合材料制件运输到制孔工作区域，启动夹持座，将AGV智能小车固定，等待制孔；
[0016]2）制孔工具就位：启动刀具制孔机构和激光辅助制孔机构，并选择合适的制孔刀具安装，及输入预定的激光加工参数；
[0017]3）激光预制孔：控制激光辅助制孔机构进行预制孔，激光扫描的运动轨迹与待制孔同心，且预制孔的孔径小于待制孔孔径0.1～2mm，预制孔的深度为3～10层铺层；
[0018]4）刀具制孔：控制刀具制孔机构进行切割制孔，制孔的直径等于待制孔的孔径，制孔的深度为10～64层铺层；
[0019]5）制孔方式：复合材料制件厚度≤8mm的情况下，采用两侧同时制孔方式；复合材料制件厚度≥8mm的情况下，采用同侧间隔制孔方式，至制穿或达到设计的孔深；
[0020]6）制件完成：重复步骤3）、4）、5）完成所需要的制孔数量，然后启动夹持座将AGV智能小车松开，驱动AGV智能小车将制孔完毕的复合材料制件运出制孔工作区域。
[0021]作为优选的技术方案的，步骤3）中所述的激光辅助制孔机构，其激光发射器产生的激光为飞秒激光、皮秒激光、纳秒激光或毫秒激光中的任一种；所述激光的波长为300～1000nm，聚焦光斑直径为12～20μm，功率为5～20W，脉冲宽度为8～12皮秒，重复频率为400～4000kHz，扫描速度为2000～5000mm/s。
[0022]作为优选的技术方案的，步骤4）中所述的刀具制孔机构，刀具切割的进给量为0.1～0.3mm/r，切割力的大小控制为1～200N。
[0023]本技术的有益效果：
[0024]本技术通过将传统的机械制孔（刀具制孔）与激光制孔结合，激光制孔作为辅
助，其预制孔将复合材料的表面切割，再进行刀具制孔，一定程度上减少了在复合材料出刀口的阻力，减轻制孔刀具的磨损，减少了层间撕裂、毛刺的出现频率。
[0025]本技术方法将激光制孔与刀具制孔交替进行，解决超厚比复合材料制件的难题，且激光预制孔的直径小于待制孔的理论孔径0.1～2mm，以防影响制孔的质量；且由于通过将传统的刀具制孔与激光制孔结合，激光仅用于辅助制孔，大大减小激光制孔的功率，这有效控制激光制孔的热辐射区域，充分发挥了激光加工制孔与产品无接触的优点，并且给刀具制孔提供便利，保证制孔质量。
[0026]本技术装置借助工业机器人及AGV智能小车进行制孔，实现智能化操作，提升制孔质量的同时，有利于制孔的批量化操作，实现生产线上的联机和自动化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料激光辅助制孔装置，其特征在于：包括刀具制孔机构（1）、激光辅助制孔机构（2）和待制孔的复合材料制件（3）；所述复合材料制件（3）通过制件夹持机构（4）安装在制孔工作区域（5）内，所述激光辅助制孔机构（2）用于对复合材料制件（3）预制孔，所述刀具制孔机构（1）用于对复合材料制件（3）制孔。2.根据权利要求1所述的复合材料激光辅助制孔装置，其特征在于：所述刀具制孔机构（1）和激光辅助制孔机构（2）均包括工业机器人（6），刀具制孔机构（1）的刀具（101）和激光辅助制孔机构（2）的激光发射器（201）均通过机器人夹爪（7）安装在工业机器人（6）的机械臂（601）的末端，通过操控工业机器人（6）对复合材料制件（3）进行制孔操作。3.根据权利要求2所述的复合材料激光辅助制孔装置，其特征在于：所述刀具制孔机构（1）和激光辅助制孔机构（2）还均包括视觉识别系统（8），用于识别复合材料制件（3）位置和检测制孔的加工质量；且所述刀具制孔机构（1）还包括压力传感器（9），用于实时检测制孔进给力的大小。4.根据权利要求1所述的复合材料激光辅助制孔装置，其特征在于：所述制件夹持机构（4）包括固定在制孔工作区域（5）内的夹持座（41）和用于复合材料制件（3）运输的AGV智能小车（42）；所述AGV智能小车（42）上设有用...

【专利技术属性】
技术研发人员：易智飞，朱云安，刘园园，陆明富，王巍，黎玉钦，张苏镇，王康，孙建，郭文梅，
申请(专利权)人：航天海鹰镇江特种材料有限公司，
类型：新型
国别省市：