[发明专利]纤维复合材料与金属叠层结构低温制孔装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维复合材料/金属叠层结构低温制孔装置，还涉及一种基于纤维复合材料/金属叠层结构低温制孔装置的低温制孔方法。

背景技术

纤维复合材料/金属叠层结构在航空航天等领域应用广泛，且需要在叠层构件上加工大量的连接孔，一体化钻孔加工是目前广泛使用的加工工艺方法。但纤维复合材料与金属合金性质差异较大，导致在钻孔加工中，纤维复合材料会产生层间分层、出口毛刺、入口撕裂、缩孔的缺陷，金属会产生部分组织氧化、出口翻边，使刀具磨损严重，使用寿命短等缺陷。如何实现纤维复合材料/金属叠层结构高效高质量加工成为该领域的关键问题。

在己有的有关于纤维复合材料/金属叠层结构制孔方法和装置的发明专利中,主要集中在变切削参数加工,使刀具在制孔加工不同的材料层时改变刀具制孔转速和进给速度。

参照图4。文献“申请公开号是CN101670448A的中国发明专利”公开了一种碳纤维复合材料与金属材料叠层装配制孔方法与装置。由制孔装置本体、制孔刀具1、刀柄7、电主轴8、进给位置传感器组9、垂直进给滑台10、主轴变频调速系统和制孔装置数控系统组成。在垂直进给滑台上安装有刀具进给位置传感器组，其中传感器的数量和每个传感器的位置根据被加工工件的叠层数量和工件厚度进行增减和调整,刀具钻削运动由电主轴驱动,在制孔作业过程中，根据位置传感器的信号，制孔装置数控系统自动实时改变相应的刀具转速及进给速度至事先设定的参数值，实现碳纤维复合材料与金属材料叠层装配制孔时自动改变刀具制孔转速和进给速度至最佳制孔参数状态。该方法和装置能够改善纤维复合材料/金属叠层结构制孔的加工条件，但与恒定加工参数相比，需考虑叠层数量和工件厚度，变切削参数的加工方法使制孔质量提高的同时，加工效率变低。

发明内容

为了克服现有碳纤维复合材料与金属材料叠层装配制孔方法与装置加工效率低的不足，本发明提供一种纤维复合材料/金属叠层结构低温制孔装置和方法。在恒定进给速度、主轴转速下，以液氮为冷却介质，通过控制液氮的挥发量来控制低温气体的产生量，对加工区域温度采取闭环控制，可以实现加工区域温度随工件材料调节且保持恒定，从而减少由于材料性质不同引起的制孔缺陷，实现对纤维复合材料/金属叠层结构高质量制孔的同时，提高了加工效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种纤维复合材料/金属叠层结构低温制孔装置，其特点是：包括自增压液氮罐1、增压阀2、空阀3、隔热管4、电动比例调节阀5、储液罐6、隔热装置7、温度传感器8和数显温度控制器9。所述自增压液氮罐1容量为50L，当位于自增压液氮罐1上的空阀3关闭，增压阀2打开，其内部压强达到0.05Mpa时开始连续输液；隔热管4由隔热材料包裹，用于低温介质的输送；储液罐6容量为5L，用于储存由自增压液氮罐1通过隔热管4输送的液氮并挥发产生低温气体；隔热装置7采用上下通透的半封闭结构，上下两侧开有矩形孔，上侧矩形孔避开钻头工作区域且利于高温气体排出，下侧矩形孔用于避开工件将隔热装置7固定在机床上。隔热装置7左侧圆形孔尺寸与隔热管4外径相同。隔热装置7内侧布置温度传感器8，用于加工区域温度的检测；数显温度控制器9通过胶剂固定于隔热装置7外部，用于加工区域温度的显示与控制。电动比例调节阀5位于自增压液氮罐1与储液罐6之间，通过隔热管4相连接，实现液氮的输送。液氮罐6与隔热装置7通过隔热管4连接，实现低温气体介质的输送。电动比例调节阀5、温度传感器8、数显温度控制器9构成温度自动调节系统，实现加工区域温度的控制。

所述隔热管4内径为10mm，外径为15mm。

所述上下两侧的矩形孔尺寸均为100mm×200mm。

所述温度传感器8用于加工区域的温度检测，其反应速度小于2s，测温范围为-200℃～+800℃，测量精度为±1℃。

一种基于纤维复合材料/金属叠层结构低温制孔装置的低温制孔方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、设置数显温度控制器9的加工温度为-60℃～-40℃，并根据该加工温度、主轴转速为1000ra/min和进给速度为55mm/min对机床进行编程。

步骤二、将工件置于隔热结构7的底部方孔处，并用夹具在机床上定位。