碳纤维增强树脂基复合材料制孔技术研究现状与展望

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有优越的物理和力学性能,已在航空制造工业中得到大量应用。在主承力结构中,CFRP与金属材料的连接通常为机械连接。然而,CFRP的各向异性严重影响了其制孔质量。由于CFRP和金属具有截然不同的材料属性,CFRP/金属叠层结构制孔技术成为飞机装配过程中的一大难题。本文首先阐述了CFRP及其叠层结构在切削过程中的切屑形成机制、钻削力和钻削热的研究现状;其次,剖析了钻削过程中典型加工损伤,如毛刺与撕裂、分层缺陷及孔壁表面损伤的产生原因和影响因素;然后,介绍了CFRP制孔刀具材料和几何结构的优化设计研究进展,并综述了螺旋铣孔、变工艺参数钻削、"以磨代钻"和振动辅助制孔等多种CFRP及其叠层结构加工新技术及钻削过程的仿真研究。最后,借鉴钎焊工具和超声振动技术的独特优势,提出了磨粒有序排布钎焊金刚石工具的超声振动加工构想,以达到CFRP及其叠层结构的精密高效制孔加工这一目的。     

玻璃纤维增强聚丙烯复合材料制孔损伤

为抑制玻璃纤维增强聚丙烯复合材料（GF/PP）制孔损伤并提高其制孔效率,本文通过钻削实验获得多种进给速度下的GF/PP复合材料钻削轴向力和出口温度,使用高速摄影设备对刀具钻出过程进行在线观测,研究出口材料去除过程及其损伤成因,分析进给速度对GF/PP复合材料制孔损伤的影响规律。结果表明：GF/PP复合材料的钻削出口温度在低速进给时显著升高,在高速进给时基本趋于稳定;出口撕裂是重要的出口损伤形式,成因是大片毛刺受副切削刃的撞击和撕挤,进给速度过高或过低均会加剧损伤; 0°毛刺在低速进给时较严重,入口撕裂在高速进给时较严重。     

钻削液压支架尾梁柱窝销轴孔的装夹工装的设制与应用

图1所示的尾梁柱窝的Φ62孔是安装液压支架尾梁液压缸时的穿Φ60销轴的孔,加工该孔时,公司走了许多弯路。将其各平面加工完成并划孔线后,曾经在Z3080钻床上用用普通钻头钻削第一个孔后再用加长钻头分两次钻削第二个看孔,由于加长钻头刚性较差,钻削效率很低,并且第二个孔的始钻是斜面,使钻头在钻第二个孔时容易发生偏摆而造成钻头损坏;也曾经在钻床上采取按线校正后从两侧钻削Φ62孔的方式,由于划线偏差、校正误差和机床主轴的钻摆等综合因素,使得部分尾梁柱窝孔钻削后的同轴度偏差太多,有的在安装尾梁液压缸时难以将销轴通体安装到两个孔中;     

钛合金细长子孔的钻削工艺研究

针对小直径钛合金棒材钻削细长孔工艺上存在的问题,对钻削系统及钻头几何尺寸和钻削参数等进行了分析和改进,采用改进后的工艺进行实验得出,对TC4钛合金棒钻削φ4.5 mm×420mm的细长孔,先采用φ(4.2～4.3)mm硬质合金麻花钻,分别从工件两端相向钻通,最后用φ4.5 mm钻头单向扩孔.钻头前角0°～5°,后角6°～12°,副偏角6°,钻削时恰当使用中心架、跟刀架和冷却液.用新工艺钻削的细长孔Ra=1.6 μm～3.2 μm.     

基于超细晶硬质合金钻头的AFRP钻削性能

采用超细晶硬质合金钻头开展了芳纶纤维增强树脂基复合材料(Aramid Fiber Reinforce Polymer Composites,AFRP)的钻削实验,从钻削力、钻削温度、制孔质量、刀具磨损等方面对比分析了超细晶硬质合金钻头与普通硬质合金钻头的钻削性能。实验结果表明:芳纶纤维增强树脂基复合材料钻削过程中,钻削力随进给速度的增大而增大,随主轴转速的增大而减小,超细晶硬质合金钻头的钻削力比普通硬质合金钻头降低了40.6%以上;钻削温度随进给速度的增大而减小,随主轴转速的增大而增大,相对普通硬质合金钻头,采用超细晶硬质合金钻头的钻削温度降低了47~85℃;超细晶硬质合金钻头钻削产生的拉毛和热损伤明显少于普通硬质合金钻头;经过长时间的钻削,普通硬质合金钻头的橫刃和主切削刃出现了崩刃,后刀面出现了严重的磨料磨损;而超细晶硬质合金钻头由于高硬度和高耐磨性等特性,刀具的磨损相对较小,适合于芳纶纤维增强树脂基复合材料的高效低损伤加工。     

Al2O3f+Cf/ZL109混杂复合材料的复合振动钻削加工

用挤压铸造法制备了三氧化二铝短纤维和碳短纤维混杂增强ZL109合金复合材料,并采用永磁复合激振方式进行了轴向与扭转复合振动钻削加工,研究了该材料的钻削加工性及振幅和振动频率对钻削力、钻头磨损和孔精度的影响.结果表明,采用这种复合振动钻削方式,可更明显降低钻削力和提高加工精度.选择合理的振动参数,也可以减轻刀具磨损,因而可改善Al2O3f Cf/ZL109混杂复合材料的钻削加工性.     

一种超声超低温冰层支撑辅助CFRP钻削方法

提出一种超声振动+超低温液氮+由超低温环境形成的冰冻支撑层(Ultrasonic vibration+Cryogenic liquid nitrogen+Frozen support layer,UCF)来辅助碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced poly-mer,CFRP)钻削制孔...     

错齿BTA深孔振动钻削刀具系统径向减振特性研究

BTA深孔钻削刀具系统刚性差,加工过程极易发生多个方向的颤振,而刀具颤振对孔的加工精度和刀具的使用寿命具有重要影响。根据错齿BTA内排屑深孔钻刀具系统的特点,构建了深孔钻削过程刀具系统径向动力学模型,通过其特征方程研究了径向动力学特性。为了获得普通钻削与振动钻削条件下刀具系统径向振动的行为特征,将切削加工过程离散为满足状态方程连续条件的多个微小切削单元,并采用差分方程求解方法给出了普通钻削与振动钻削过程刀具径向振动位移的数值解。仿真和实验结果表明,所建立径向动力学模型的求解结果与实验结果相吻合,振动钻削对刀具系统径向振动具有较强的抑制效果,与普通钻削相比,孔加工圆度和表面粗糙度都有了明显改善。     

关于《钳工工艺与技能训练》中“特殊孔”钻削分析与改进探索

《钳工工艺与技能训练》中特殊孔的钻削是教学和实习操作比较困难的,因为在钻削特殊孔时如果没有分析到位,就会出现钻头折断、钻头钻偏轴心、钻头卡在孔中、钻头磨损较快、钻出的孔内壁粗糙等问题,从而影响零件的加工。     

Al2O3f＋Cr／ZL109混杂复合材料的复合振动钻削加工

用挤压铸造法制备了三氧化二铝短纤维和碳短纤维混杂增强ZL109合金复合材料、并采用永磁复合激振方式进行了轴向与扭转复合振动钻削加工，研究了该材料的钻削加工性及振幅和振动频率对钻削力、钻头磨损和孔精度的影响。结果表明。采用这种复合振动钻削方式．可更明显降低钻削力和提高加工精度。选择合理的振动参数。也可以减轻刀具磨损，因而可改善Al2I3f Cf／ZL109混杂复合材料的钻削加工性。     

基于CFRP层合板钻削轴向力时变曲线的钻头几何形状分析

为探索能够实现碳纤维增强复合材料（CFRP）层合板低损制孔的钻头几何形状,采用4种不同几何形状的钻头,对T800级CFRP层合板进行钻孔实验研究,分析了钻头几何形状对钻削轴向力的影响,探讨了钻削轴向力与分层损伤之间的关系。结果表明:轴向力归零速度与出口分层因子有较好的正相关性,可采用钻削轴向力归零速度来表征钻头几何形状对CFRP层合板钻孔的适用性能。同时,实验发现切削区域具有多阶段几何特征的钻头,在钻出工件底部时轴向力是分阶段缓慢归零,出口分层因子较小。      

普通车床改制的BTA深孔钻床的应用

BTA深孔钻是内排屑深孔钻的一种典型结构，它是在单刃内排屑深孔钻的基础上改进而成，其切削刃呈双面错齿状，切屑从双面切下，并经双面排屑孔进入钻杆排出孔外。BTA深孔钻切削力分布均匀，分屑、断屑性能好，钻削平稳可靠，钻削出的深孔直线性好。利用普通车床改制成的BTA深孔钻床可实现其功能。     

基于监测信号边际谱和双谱特征融合的孔系钻削质量分析

从钻削监测信号数据中挖掘与加工质量相关的信息,可有效实现孔系钻削质量检测。提出一种基于融合钻削过程三向加速度振动和声发射监测信号时频特征的孔系钻削质量一致性评估方法。首先采用振动传感器和声发射传感器监控孔系钻削过程;然后对各钻孔监测信号进行Hilbert-Huang变换和高阶谱分析,提取各孔监测信号的边际谱和双谱特征;应用主成分分析方法进行特征降维,特征融合聚类分析,直观获得各钻孔钻削过程监测信号时频特征波动状况。基于钻削过程质量波动与监测信号边际谱的频率能量特征和双谱特征数值变化的耦合关系,并与孔系钻削加工人工质量检测对比表明:融合孔系钻削监测信号边际谱特征和双谱特征进行数据聚类研究可有效进行孔系加工质量的一致性检测,快速分析和识别质量异常钻孔。     

硬质合金台阶钻结构参数及钻削工艺参数对CFRP开孔性能的影响

基于VMC850B立式加工中心和UltraPAC超声C-扫描仪,搭建了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)钻削试验平台,探讨了台阶钻结构参数及钻削工艺参数对CFRP钻削过程中的钻削轴向力和分层因子的影响。结果表明,钻削工艺参数对第一段钻削轴向力影响较大,台阶钻结构参数对第二段钻削轴向力的影响较大;分层因子的大小与第一段钻削轴向力和第二段钻削轴向力有关,当第一段和第二段直径比d/D0.5时,分层因子主要与第一段钻削轴向力有关;减小分层的优水平组合为第一段直径2.8mm,第二段锋角95°,主轴转速7000r/min,进给速度2.5mm/s。     

冷却空气流向对CFRP制孔刀具磨损及孔质量的影响

在加工碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）时多用冷却工艺来提升加工质量。其中,空气冷却工艺因其方便性被广泛用于实际加工中。然而,目前尚缺少空气冷却方向对刀具磨损和加工质量的研究。文章通过控制冷却空气的方向,开展了干式切削、正向喷气和逆向吸气冷却条件下钻削CFRP材料的研究。获得了上述冷却条件对双顶角刀具第二主切削刃末端磨损的影响规律,发现气体冷却都能有效抑制刀具磨损,且在对出口温度影响相近的条件下,逆向冷却比正向冷却能够更好地抑制磨损。进而分析了冷却条件对钻削出口损伤的抑制效果,发现冷却、冷却方式对孔出口撕裂深度的抑制作用都较小,但逆向吸气冷却能够有效减小出口的毛刺高度,是一种有效提高制孔质量的冷却工艺。      

数控铣削螺纹加工

数控铣削螺纹的加工有多种形式，根据螺纹的特点与类型，选择加工方法：对于小孔采用螺纹钻削循环，对于大孔采用单刃螺纹铣刀加工内螺纹：这里主要介绍螺纹的单个螺距铣削编程指令和利用参数化即宏程序的编程。     

数控车床上自动钻孔刀夹的设计

大批量加工有内孔的回转体工件时,在保证质量的前提下,为了使加工工序集中、降低加工成本和提高生产效率,设计并制作了在数控车床上用于自动钻孔的夹具,装上钻夹头上装有直柄的钻头,可以实现自动钻削加工。     

CFRP管面钻削缺陷形成机制

碳纤维增强复合材料(CFRP)传动轴因性能优越广泛应用于汽车、航空航天、船舶、冷却塔风机等轻量化领域,但其钻削过程中容易出现毛刺、分层等缺陷。为了揭示CFRP管面钻削缺陷形成机制,选择双锋角钻头和三尖二刃钻对CFRP管面钻孔,利用分步钻削盲孔和通孔的方法,分析了损伤部位的受力情况,揭示了入口撕裂、出口毛刺和分层产生原因。根据实验结果,发现双锋角钻头钻孔时入口撕裂损伤较大,损伤位置在钻头与管面接触最低点,且主要是那部分水平缠绕CFRP管的纤维,原因是水平缠绕的纤维屈曲变形最大,对切削力更加敏感。双锋角钻头和三尖二刃钻的横刃对孔最终出口分层没有影响,主切削刃的切削行为决定孔最终出口分层。相同钻头钻孔时,轴向力不是唯一影响分层因子的因素,还需考虑切削热。相比双锋角钻头,三尖二刃钻因锋利的外缘尖角能有效划断纤维,使出口分层较小。     

T2670G镗床电气系统的改造

T2670G镗床是60年代初期由苏联引进的重型机床,主轴直径200MM,最大镗孔深度1800MM,该机床适用于钻孔、扩孔、取芯钻(用空心钻钻削)及铰孔,以及进行平面加工,铣削平面、帽和进行线切割(螺纹加工),担负着我公司大件加工的生产任务.     

T2670G镗床电气系统的改造

T2670G镗床是60年代初期由苏联引进的重型机床,主轴直径200MM,最大镗孔深度1800MM,该机床适用于钻孔、扩孔、取芯钻(用空心钻钻削)及铰孔,以及进行平面加工,铣削平面、帽和进行线切割(螺纹加工),担负着我公司大件加工的生产任务。