阅读说明：本技术 一种复合材料/金属材料叠层结构自适应钻孔装置及其方法 (Self-adaptive drilling device and method for composite material/metal material laminated structure ) 是由 杨浩骏 苏宏华 陈燕 傅玉灿 陈玉荣 高顺兴 于 2020-11-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种复合材料/金属材料叠层结构自适应钻孔装置及其方法,钻孔装置包括机床,所述机床上固定安装有刀柄,所述刀柄上装夹有钻头,所述钻头对其他材料、复合材料和金属材料进行钻孔加工,所述金属材料通过导线与电阻检测装置连接,所述机床、刀柄、钻头、其他材料、复合材料、金属材料和电阻检测装置由导电线连接并构成电阻测量回路。本发明钻孔方法实现了对复合材料/金属材料叠层结构交界面的识别,在钻头进入金属材料时,进行工艺参数的调整与优化,提高了叠层结构的钻孔质量与效率。本发明简化了识别过程,避免了加工参数转变不及时,钻头在高转速情况下钻削金属材料带来的钻尖崩刃问题。(The invention discloses a composite material/metal material laminated structure self-adaptive drilling device and a method thereof. The drilling method realizes the identification of the composite material/metal material laminated structure interface, adjusts and optimizes the process parameters when the drill bit enters the metal material, and improves the drilling quality and efficiency of the laminated structure. The invention simplifies the identification process, and avoids the problem of tipping of the drill tip caused by the fact that the drill bit drills a metal material at a high rotating speed due to untimely change of the processing parameters.)

一种复合材料/金属材料叠层结构自适应钻孔装置及其方法

技术领域

本发明属于机械加工制造技术领域，具体涉及一种复合材料/金属材料叠层结构自适应钻孔装置及其方法。

背景技术

复合材料具有许多优异的性能，如比强度和比刚度高、耐腐蚀性高、膨胀系数低等。目前，复合材料用量已成为飞机先进性，乃至航空航天领域先进性的一个重要标志。在飞机制造中，复合材料通常与金属材料(如钛合金、铝合金、不锈钢)一起使用，以实现更轻的总体结构重量、更好的结构强度和燃油经济性。

螺栓连接和铆接是飞机装配中最常用的部件连接方式，而这种机械连接方式需要制备大量的装配孔，因此装配孔的制备成为飞机装配中的重要任务之一。为了提高生产效率及孔径精度，叠层结构制孔时通常会使用钻头以一次钻削的方式进行加工。然而，由于材料特性的巨大差异，复合材料与金属材料的加工参数也存在着巨大差异，则必须在钻削过程中根据钻头在工件中所处的位置，适时调整加工参数，否则钻头在高转速情况下钻削金属材料会带来钻尖崩刃的问题。

专利CN 108723428 A《一种基于电机电流的叠层材料在线变参数制孔方法》，具体阐述了对于电流信号的处理方法，卡尔曼滤波对提取电流进行滤波，滤除电流信号在采集和传输的过程中受到外界干扰和设备内部噪声，再对经过滤波后的电流数值进行离散积分处理，以积分差与阈值的比较值作为参数，实时判断当前制孔所处阶段。这种方法虽然改变了加工参数，但是还额外需要滤波处理，增加了方法的复杂性。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种复合材料/金属材料叠层结构自适应钻孔装置及其方法，解决了现有的叠层结构钻孔中，钻头加工参数未改变造成钻头在高转速情况下钻削金属材料带来钻尖崩刃的问题。

技术方案：本发明一种复合材料/金属材料叠层结构自适应钻孔装置，包括机床，所述机床上固定安装有刀柄，所述刀柄上装夹有钻头，所述钻头对其他材料、复合材料和金属材料进行钻孔加工，所述金属材料通过导线与电阻检测装置连接，所述机床、刀柄、钻头、其他材料、复合材料、金属材料和电阻检测装置由导电线连接并构成电阻测量回路，所述电阻检测装置通过导线与控制器连接，所述控制器通过导线与机床的PLC处理器连接。

进一步的，所述复合材料为低电导率的纤维增强或颗粒增强复合材料。

进一步的，所述金属材料为高电导率的钛合金、不锈钢或铝合金材料。

本发明还包括一种复合材料/金属材料叠层结构自适应钻孔方法，包括以下步骤：

(1)采用安装在机床上的钻头对复合材料和金属材料的叠层结构制孔时，通过电阻检测装置时时检测电阻测量回路中的电阻值；

(2)电阻检测装置将电阻值信号传输给控制器，控制器对电阻值信号进行判断，从而识别复合材料/金属材料叠层结构的交界面；

(3)识别钻头已达到叠层结构的交界面之后，控制器将预设的加工工艺参数发送至机床的PLC处理器，机床的PLC处理器发送指令进行加工参数的转变，从而实现对复合材料/金属材料叠层结构的工艺参数调整与优化。

进一步的，所述步骤(2)中判断如下：当钻头在复合材料中钻孔时，由于复合材料为低电导率的纤维增强或颗粒增强复合材料，使得整个电阻测量回路中的电阻值极大，控制器得到电阻检测装置传输的电阻值极大的电阻值信号时，识别出钻头未达到复合材料/金属材料叠层结构的交界面，加工工艺参数不变；当钻头在复合材料/金属材料叠层结构的交界面处钻孔时，由于钻头已与金属材料接触，金属材料为高电导率的钛合金、不锈钢或铝合金材料，使得整个电阻测量回路中的电阻值极小，控制器得到电阻检测装置传输的电阻值极小的电阻值信号时，识别出钻头已达到复合材料/金属材料叠层结构的交界面，控制器将预设的加工工艺参数发送至机床的PLC处理器。

有益效果：本发明实现了对复合材料/金属材料叠层结构交界面的识别，在钻头进入金属材料时，进行工艺参数的调整与优化，提高了叠层结构的钻孔质量与效率；相比于现有的基于电流的识别叠层结构交界面方式，由于复合材料与金属材料之间的电阻差异巨大，本发明的信号处理不需要进行额外滤波处理，即可直接用于信号判断，简化了识别过程，避免了加工参数转变不及时，钻头在高转速情况下钻削金属材料带来的钻尖崩刃问题。

附图说明

图1为本发明自适应钻孔装置结构示意图；

图2为本发明自适应钻孔流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

如图1和图2所示，本发明一种复合材料/金属材料叠层结构自适应钻孔装置，包括机床1，机床1上固定安装有刀柄2，刀柄2上装夹有钻头3，钻头3对其他材料4、复合材料5和金属材料6进行钻孔加工；复合材料5为树脂基、陶瓷基等低电导率的纤维增强或颗粒增强复合材料，金属材料6为高电导率的钛合金、不锈钢或铝合金等材料，复合材料5和金属材料6的电导率差异巨大，如表1所示：

表1叠层结构中各组分的电导率

金属材料6通过导线与电阻检测装置7连接，机床1、刀柄2、钻头3、其他材料4、复合材料5、金属材料6和电阻检测装置7由导电线连接并构成电阻测量回路，电阻检测装置7通过导线与控制器8连接，控制器8通过导线与机床1的PLC处理器9连接，进而机床1的PLC处理器9发送指令进行加工参数的转变；

由于机床1与金属材料6都是电的良导体，因此其总电阻值较小，而复合材料5是电的不良导体，因此其电阻值要显著高于机床1与金属材料6的电阻之和。当钻孔过程经过复合材料5和金属材料6的交界面A时，由电阻监测装置7监测的电阻值信号发生明显变化，控制器8对电阻值信号进行判断，进而对加工工艺参数进行调整，以避免钻头在高转速情况下钻削金属材料带来的钻尖崩刃问题，并使金属材料6获得最优的加工表面质量。

其他材料4可以是单层、双层或多层材料，如钛合金/不锈钢/铝合金等；同时，本发明不仅适用于单层交界面A，也适用于复合材料5/金属材料6多交界面(＞2)的叠层材料自适应加工工艺参数调整。

本发明还包括一种复合材料/金属材料叠层结构自适应钻孔方法，包括以下步骤：

(1)采用安装在机床1上的钻头3对复合材料5和金属材料6的叠层结构制孔时，通过电阻检测装置7时时检测电阻测量回路中的电阻值；电阻测量回路的总电阻值R_总可包含了以下三个部分机床电阻值R_机床、复合材料板电阻值R_复材、金属板电阻值R_金属；

(2)电阻检测装置7将电阻值信号传输给控制器8，控制器8对电阻值信号进行判断，从而识别复合材料5/金属材料6叠层结构的交界面A；

其中控制器8的判断如下：当钻头3在复合材料5中钻孔时，由于复合材料5为低电导率的纤维增强或颗粒增强复合材料，使得整个电阻测量回路中的电阻值极大，电阻检测装置7所检测到的电阻值为：

R_总＝R_机床+R_复材+R_金属；

控制器8得到电阻检测装置7传输的电阻值极大的电阻值信号时，识别出钻头3未达到复合材料5/金属材料6叠层结构的交界面A，加工工艺参数不变；

当钻头3在复合材料5/金属材料6叠层结构的交界面A处钻孔时，由于钻头3已与金属材料6接触，金属材料6为高电导率的钛合金、不锈钢或铝合金材料，使得整个电阻测量回路中的电阻值极小，电阻检测装置7所检测到的电阻值为：

Rˊ_总＝R_机床+R_金属；

控制器8得到电阻检测装置7传输的电阻值极小的电阻值信号时，识别出钻头3已达到复合材料5/金属材料6叠层结构的交界面A，控制器8将预设的加工工艺参数发送至机床1的PLC处理器9；本发明即运用R_总与Rˊ_总之间的差异，对钻头3穿透复合材料5到达金属材料6的时刻进行判断；

(3)识别钻头3已达到叠层结构的交界面A之后，控制器8将预设的加工工艺参数发送至机床1的PLC处理器9，机床1的PLC处理器9发送指令进行加工参数的转变，从而实现对复合材料5/金属材料6叠层结构的工艺参数调整与优化。

本发明除了对复合材料5/金属材料6叠层结构进行加工状态监测，还可以对复合材料5/金属材料6/复合材料5叠层结构、复合材料5/金属材料6/复合材料5/金属材料6叠层结构等多层叠层结构进行加工状态监测；相比于现有的基于电流的识别叠层结构交界面方式，由于复合材料5与金属材料6之间的电阻差异巨大，电阻值信号处理不需要进行额外滤波处理，即可直接用于信号判断，简化了识别过程，避免了钻头在高转速情况下钻削金属材料带来的钻尖崩刃问题。