[0001] 本发明属于热塑性材料自动化加工技术领域，具体涉及一种针对热塑性材料的冷态钻削辅助装置及其工作方法。

[0002] 热塑性材料具有比强度高、比模量高、易于成型、无毒环保等特性，在航空领域得到了广泛的应用，且热塑性材料具有受热软化、冷却硬化的特点，且该特点可反复进行而不发生化学变化。热塑性材料工件通常需要铆接与螺接固定，而目前对其机械加工的方式中，钻削是使用最为广泛的。针对多种加工情况的钻削研究是一种重要的研究手段，但是在热塑性材料的钻削条件下，钻削过程中产生的钻削热易使得加工孔洞位置处发生形变，影响铆接或螺接的固定效果，现有的对低温环境下热塑性材料工件钻削加工工艺的研究成本较高，实现步骤繁琐，维持钻削低温环境难度较大，且可实现低温环境下热塑性材料工件钻削加工的辅助装置较少，因此继续一种操作方法简单，且能够辅助实现低温环境下热塑性材料工件钻削加工的辅助装置。

[0046] 下面结合附图对本发明做进一步描述。

[0047] 如图1所示，本发明一种针对热塑性材料的冷态钻削辅助装置，包括低温控制仓101、工件夹持装置102和工件平移装置103。

[0048] 如图2、图3和图4所示，低温控制仓101包括内循环仓201、温度补偿仓202和冷却管路203。内循环仓201包括仓体和顶盖，仓体上端开设有开口一，顶盖可拆卸固定于开口一上，且顶盖上开设有圆孔一205，圆孔一205便于钻头进入仓体内部进行加工；仓体的内壁上固定有温度传感器206，温度传感器206用于实时检测仓体内的温度；温度补偿仓202上一体成型的出口管与仓体固定并连通，且温度补偿仓202内固定有补偿热电阻207；冷却管路203固定于仓体的内壁上，且冷却管路203的出口与出口管路的入口固定，出口管路的出口穿出仓体开设的孔洞外，与液氮机(将氮气液化成液氮)的入口连接；冷却管路203的进口与进口管路的出口固定；进口管路的入口穿过出口管，穿入温度补偿仓202，并穿出温度补偿仓202上一体成型的入口管，与液氮机的出口连接；补偿热电阻207用于对从进口管路流入冷却管路203的液氮进行加热，进而控制流入冷却管路203的液氮温度，从而控制仓体内的温度。内循环仓201和温度补偿仓202的外壁上均涂有隔热涂层208，隔热涂层208用于隔绝内循环仓201和温度补偿仓202，减缓内循环仓201和温度补偿仓202与外界热交换，保证内循环仓201内冷却管路203的有效冷却功率或温度补偿仓202内补偿热电阻207的有效加热功率。

[0049] 工件夹持装置102和工件平移装置103均设于内循环仓201内。如图5所示，工件夹持装置102包括同步升降机构301和U型夹持板302，同步升降机构301包括支撑架、传动杆一305、螺母块一和螺杆一307；水平设置的传动杆一305与仓体的底板构成转动副，并由驱动电机一303驱动，且传动杆一305的两端设有一体成型且旋向相同的两个蜗杆一；仓体内位于传动杆一305的两端固定有对称布置的两个支撑架，竖直设置的两个螺杆一307与两个支撑架分别构成转动副，且两个螺杆一307的底端均固定有蜗轮一306，两个蜗轮一306与两个蜗杆一分别啮合，对称布置的两个螺母块一与两个螺杆一307分别构成螺纹副，并与两个支撑架分别构成滑动副；相对且对称布置的两个U型夹持板302与两个螺母块一分别固定，且两个U型夹持板302的下表面均设有应力片。

[0050] 如图6所示，工件平移装置103包括钻削基板401和水平平移机构402，水平平移机构402包括传动杆二405、蜗轮二406、螺杆二407和螺母块二；平行于传动杆一305的传动杆二405与仓体的底板构成转动副，并由驱动电机二403驱动，且传动杆二405的两端均设有一体成型且旋向相同的的蜗杆二；水平平行且垂直于传动杆二405的两个螺杆二407设于两个支撑架之间，并位于传动杆二405的两端，且均与底板构成转动副，两个螺杆二407靠近传动杆二405的一端均固定有蜗轮二406，两个蜗轮二406与两个蜗杆二分别啮合；对称布置的两个螺母块二与两个螺杆二407分别构成螺纹副，并与仓体内水平固定的两个导杆408分别构成滑动副；水平布置的钻削基板401设于两个支撑架之间，并位于两个U型夹持板302的下方，且钻削基板401的两端与两个螺母块二固定，中部开设有圆孔二，圆孔二用于避免出现钻削干扰。

[0051] 其中，补偿热电阻207由控制器供电，控制器可(结合温度传感器206的温度信号)改变对补偿热电阻207的供电电压，从而改变补偿热电阻207的加热功率以及产生的热量，驱动电机一303和驱动电机二403均由控制器控制，温度传感器206和各应力片的信号输出端均与控制器连接。

[0052] 作为一个优选实施例，仓体的一侧开设有开口二，且开口二上固定有可视窗204，便于对钻削过程进行观察。

[0053] 作为一个优选实施例，驱动电机一303的壳体固定于底板上，驱动电机一303的输出轴通过锥齿轮副一304与传动杆一305连接。

[0054] 作为一个优选实施例，驱动电机二403的壳体固定于底板上，驱动电机二403的输出轴通过锥齿轮副二404与传动杆二405连接。

[0055] 一种针对热塑性材料的冷态钻削辅助装置的工作方法，具体如下：

[0056] 步骤一、将仓体安装在钻床的工作台上。

[0057] 步骤二、取下顶盖，将热塑性材料工件放置在钻削基板401上，使热塑性材料工件上的待钻孔位置位于圆孔二位置处，将顶盖安装至原位；接着控制器控制驱动电机二403驱动传动杆二405正转，传动杆二405上的两个蜗杆二与两个蜗轮二406啮合，两个蜗轮二406带动两个螺杆二407正转，两个螺杆二407通过两个螺母块二带动钻削基板401和热塑性材料工件平移，使得热塑性材料工件平移至两个U型夹持板302的正下方；然后控制器控制驱动电机一303驱动传动杆一305正转，传动杆一305上的两个蜗杆一与两个蜗轮一306啮合，两个蜗轮一306带动两个螺杆一307正转，两个螺杆一307通过两个螺母块一带动两个U型夹持板302同步下移，使得两个U型夹持板302与热塑性材料工件接触，与钻削基板401夹持热塑性材料工件，且各应力片检测到的相应U型夹持板302对热塑性材料工件的正压力在预设压力范围内，进而完成热塑性材料工件的夹持工作。

[0058] 其中，预设压力范围通过钻孔实验得到，过程为：

[0059] S1、U型夹持板302对热塑性材料工件有垂直于热塑性材料工件表面的正压力，该正压力为U型夹持板302对热塑性材料工件的夹持应力，但当夹持应力过大时则会损坏热塑性材料工件，使得热塑性材料工件达到失效状态，则热塑性材料工件在非钻削加工时的夹持应力失效方程为

[0060]

[0061] 式中，σ为非钻削加工时U型夹持板302对热塑性材料工件的夹持应力，X2t和X2c为热塑性材料工件的纵向拉伸强度和纵向压缩强度，与工件材料有关，可通过查表或拉伸与压缩实验得到。

[0062] 由于σ＞0，根据公式(1)求得使热塑性材料工件达到失效状态的σ最小值σmin，即为非钻削加工过程中U型夹持板302夹紧热塑性材料工件并使热塑性材料工件出现失效状态时的最小夹持应力，则非钻削加工过程中U型夹持板302在不损坏热塑性材料工件时对热塑性材料工件的夹紧应力范围为(0,σmin)，同时为确保U型夹持板302能够夹紧热塑性材料工件，则控制非钻削加工过程中U型夹持板302对热塑性材料工件的夹持应力在区间U1的范围内，且 本实施例中设U1为[0.7σmin,0.9σmin]。

[0063] S2、使用热塑性材料工件样品进行相同加工参数下的多次钻削加工实验，每次钻削加工实验前记录U型夹持板302对热塑性材料工件样品的夹紧应力σ1，且σ1在区间U1的范围内，每次进行钻削加工实验时实时记录钻削加工过程中U型夹持板302对热塑性材料工件样品的夹持应力变化，每次完成钻削加工实验后取相应夹持应力变化中的夹持应力峰值σ2，并计算热塑性材料工件样品在钻削加工时的振动应力系数β，且β＝σ1/σ2，完成各钻削加工实验后计算各钻削加工实验下振动应力系数的平均值β0。

[0064] S3、钻削加工状态下热塑性材料工件的夹持压力失效方程为

[0065]

[0066] 式中，σ0为钻削加工时U型夹持板302对热塑性材料工件的夹持应力；

[0067] 根据公式(2)求得的σ0的最小值σ0min，即为钻削加工过程中U型夹持板302夹紧热塑性材料工件并使热塑性材料工件出现失效状态时的最小夹持应力，则钻削加工过程中U型夹持板302在不损坏热塑性材料工件时对热塑性材料工件的夹紧应力范围为(0,σ0min)，同时为确保U型夹持板302能够夹紧热塑性材料工件，则控制钻削加工过程中U型夹持板302对热塑性材料工件的夹持应力在区间U2的范围内，且 则区间U2即为U型夹持板302对热塑性材料工件的预设压力范围，本实施例中设U2为[0.7σ0min,0.9σ0min]。

[0068] 步骤三、打开液氮机的进口和出口，且液氮机上的液压泵将液氮从液氮机内经过进口管路输送至冷却管路203中，并从冷却管路203经过出口管路回至液氮机中，同时热补偿电阻207进行加热，对位于温度补偿仓202内进口管路中的液氮进行加热，使得进入冷却管路203中的液氮温度改变至预设温度，冷却管路203中的液氮与仓体内的空气进行热交换，进而使得仓体内温度下降至预设温度；接着钻床驱动钻头移动，使钻头从圆孔一205进入仓体内，并进行对刀，使钻头与热塑性材料工件的待钻孔位置对齐，然后进行钻孔工作。

[0069] 其中，仓体内的预设温度通过改变补偿热电阻207的加热功率和进口管路内液氮的流速来控制，进而使得仓体内的预设温度可调，可以实现不同低温环境下对热塑性材料的钻削加工，仓体内的预设温度为

[0070]

[0071] 式中，T为仓体内的预设温度，即液氮流入冷却管路203时的温度，T0为液氮位于液氮机时的温度，P为补偿热电阻207的加热功率，c为液氮的比热容，ρ为液氮的密度，v为进口管路内液氮的流速(可在进口管路设置流速计测量)，A为进口管路的横截面积。

[0072] 进一步，考虑到液氮位于液氮机时和冷却管路203时的温差与圆孔一205对热量交换效果的影响，以及室温对隔热涂层208隔热效果的影响，引入热补偿系数λ和单位时间热交换补偿热量功率p，且

[0073] p＝ε*d*ΔT

[0074] 式中，ε为隔热涂层208的导热系数，由隔热涂层208的材料决定，可在预设温度下通过实验(比如按照标准GB/T10294‑2008进行实验)得到，d为隔热涂层208的厚度，ΔT为室温与仓体内预设温度的差值。

[0075] 则

[0076]

[0077] λ的取值与温度差值ΔT'＝T‑T0的大小有关，λ的取值与ΔT'的大小关系如表1所示。

[0078] 表1λ的取值与ΔT'的大小关系表

[0079] 温差ΔT' λ 温差ΔT' λ0≤ΔT'≤30 0.97 30<ΔT'≤70 0.93
70<ΔT'≤100 0.88 ΔT'>100 0.82

[0080] 步骤四、完成钻孔工作后，钻床驱动钻头移动至原位，液氮机上的液压泵停止工作，热补偿电阻207停止加热，取下顶盖，接着控制器控制驱动电机一303驱动传动杆一305反转，传动杆一305上的两个蜗杆一与两个蜗轮一306啮合，两个蜗轮一306带动两个螺杆一307反转，两个螺杆一307通过两个螺母块一带动两个U型夹持板302同步上移，使得两个U型夹持板302与热塑性材料工件脱离接触，并上移至初始位置，然后控制器控制驱动电机二
403驱动传动杆二405反转，传动杆二405上的两个蜗杆二与两个蜗轮二406啮合，两个蜗轮二406带动两个螺杆二407反转，两个螺杆二407通过两个螺母块二带动钻削基板401和热塑性材料工件平移，使得钻削基板401平移至初始位置，取下热塑性材料工件，将顶盖安装至原位，进而完成热塑性材料工件的钻孔工作。

[0081] 其中，基于热塑性材料的热历史原理，利用热塑性材料经热循环后其材料强度先降低后增加再降低的特性，对仓体内的温度进行预设温度范围内的高低温温度循环，并通过控制循环温差、循环周期和循环次数可以控制对热塑性材料工件的强度，进而可以根据需要实现对热塑性材料工件的强度控制，且循环温差越大，工件强度越小，循环周期越大，温度变化越快，工件强度越小，随着循环次数增加，工件强度呈现先降低后增加再降低的趋势。