[发明专利]一种复合振动钻削装置及加工方法

说明书

本发明公开了一种复合振动钻削装置及加工方法，复合振动钻削装置包括机床主轴电机和钻头，其特征在于，还包括振动刀柄和振动控制系统。所述振动控制系统包括监测系统和执行系统；所述执行系统包括低频振动发生器、超声振动发生器、步进电机、伺服驱动电机、电刷；所述振动控制器通过伺服驱动电机和步进电机控制低频振动发生器，所述振动控制器通过电刷控制超声振动发生器。本发明的加工方法在传统叠层构件钻削加工的基础上，针对不同材料的材料属性差异，复合超声或者低频轴向振动，并能够通过振动控制器，实现加工过程中进行振动钻削与普通钻削的转换、超声振动钻削与低频振动钻削的转换，以及振动参数的调整，获得高质量的制孔。

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，具体是一种复合振动钻削装置及加工方法。

背景技术

随着经济的发展和科学技术的提高，难加工材料在各行各业得到广泛的运用。难加工材料主要分为：高强韧类难加工材料，例如钛合金、高温合金等；高硬脆类难加工材料，例如陶瓷、硅片等；以及兼具高强韧与高硬脆的各种复合材料。

振动加工作为一种辅助加工方式，自上世纪六十年代提出以来，已经得到了广泛的应用。振动辅助制孔技术作为振动加工的一个重要分支，它与普通钻削的区别在于制孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动，根据振动频率的不同，其主要可以分为低频振动（0~500Hz），以及超声振动（>15KHz）。

对于高强韧材料的钻削加工，低频振动制孔加工技术发挥出了其独特的优势，这种技术具有降低钻削温度，减小钻削力，减少刀具磨损的效果；对于高硬脆材料的钻削加工，超声振动加工技术则展示了其优异的效果，其主要表现在能够提高加工质量、精度，以及降低钻削力、减少刀具磨损等方面。

为了发挥不同材料各自优异的性能，飞机制造商正谋求在不同的结构位置使用不同的材料，这些材料包括钛合金、CFRP、铝合金、不锈钢等。在飞机结构中，绝大多数零部件都是通过铆接或螺栓连接进行装配。装配孔的制备往往是飞机装配的最后几道工序，由于复合材料损伤之后难以修复，叠层构件制孔质量的好坏直接关系到装配件是被接受还是报废，因此保证叠层构件的制孔质量非常重要。

伴随着叠层构件的出现，随之而来的是其困难的装配孔制备问题，由于各种材料不相同的特性，其加工工艺、加工刀具也不尽相同。由于复合材料与钛合金叠本身即为难加工材料，强行使用同一工艺、同一工具加工叠层构件，会带来制孔质量差、刀具寿命短、制孔效率低等问题，严重制约了装配效率、增加了制造费用、降低了飞机飞行安全。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种复合振动钻削装置及加工方法，该装置及方法能够提高难加工材料组成的叠层构件的制孔的质量。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合振动钻削装置，包括机床主轴电机、振动刀柄、钻头和振动控制系统。所述振动刀柄由机床夹持，所述钻头由所述振动刀柄夹持。

所述振动控制系统包括监测系统和执行系统。所述监测系统包括加工状态监测器、信号处理器，通过加工状态监测器、信号处理器来判断振动状态。所述执行系统包括低频振动控制器、超声振动控制器、步进电机、伺服驱动电机、电刷。所述低频振动控制器通过伺服驱动电机和步进电机控制振动刀柄低频振动，所述超声振动控制器通过电刷控制超声振动发生。

所述执行系统安装在振动刀柄中。所述振动刀柄还设置有止动块，所述步进电机安装在止动块中，所述步进电机用于控制低频振动发生器。振动刀柄还包括主轴接口、刀具连接口和连接器，所述主轴接口用于连接机床主轴，所述刀具连接口用于连接钻头，所述连接器将旋转运动从主轴经低频振动发生器和超声振动发生器传递至刀具连接口。

进一步的，将所述振动控制器通过加工状态监测器、信号处理替换为声发射传感器、声信号处理器，所述振动控制器通过声发射传感器、声信号处理器来判断振动状态。