PCD与硬质合金钻头钻削CFRP/Al叠层材料对比研究

为延长钻削CFRP/Al叠层材料的刀具寿命,采用PCD刀具与硬质合金刀具进行CFRP/Al叠层材料的钻削对比试验,分析了制孔数量对轴向力、刀具磨损以及制孔质量的影响。试验结果表明,随着制孔数量的增加,两种刀具的轴向力、磨损量及制孔缺陷均增大。采用PCD刀具钻削CFRP/Al叠层材料能有效减小刀具磨损且可获得更好的加工质量。     

飞机紧固孔超声振动精密加工技术研究

针对飞机蒙皮复合材料与钛合金叠层(简称复钛叠层)紧固件大孔传统手工多步制孔加工中存在的工艺路线长、加工质量不高、刀具寿命低等问题,开展了超声精密制孔技术的研究,提出了超声振动套-铰-锪的新工艺方法,并研制了超声振动制孔工具系统。实验结果表明,超声振动套-铰-锪新工艺方法及振动制孔工具系统可以高质、高效、低成本加工复钛叠层紧固件大孔,能满足飞机复钛叠层紧固孔精密装配的工业要求。     

CFRP/Ti叠层材料低频振动制孔实验研究

CFRP/Ti叠层材料在一体化制孔过程中容易出现钻削力大、加工温度高等情况,造成复合材料分层、撕裂和制孔精度降低等问题。基于低频振动制孔技术进行加工参数优化实验,分析了低频振动制孔缺陷产生机理,得到了优化的加工参数。根据所得加工参数,进行了低频振动制孔与传统钻削制孔的对比实验。实验结果表明,在所得优化加工参数下,使用低频振动制孔工艺能够有效减少刀具磨损,提高叠层材料制孔质量。     

钻头几何参数对CFRP/Ti加工轴向力的影响

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)与钛合金组成的叠层构件被广泛应用于航空航天领域,CFRP/Ti叠层材料的制孔加工一直是航空领域的热门话题。在使用机器人对飞机上的大型CFRP/Ti叠层构件进行制孔加工时,应在加工过程中尽量保持较小的轴向力。因此,为了研究钻头几何参数对CFRP/Ti叠层材料加工轴向力的影响,采用不同几何参数的无涂层硬质合金麻花钻对CFRP/Ti叠层材料进行钻削试验。结果表明,对CFRP/Ti叠层材料加工轴向力的影响顺序由大到小依次为横刃>顶角>螺旋角;当钻头的几何参数为顶角119°,螺旋角19°,横刃长0.3mm时,加工轴向力最小,制孔质量更好。     

CFRP/Ti叠层材料超声辅助螺旋铣孔的轴向力研究

针对CFRP/Ti叠层材料在一体化制孔过程中轴向力过大而引起的分层损伤和出口毛刺等制孔问题,从降低叠层制孔轴向力的角度出发,采用螺旋铣孔的方式,结合超声辅助加工技术应用于CFRP/Ti叠层材料叠层制孔。设计系列加工试验,对比研究了有无超声辅助条件下叠层材料螺旋铣孔的轴向力,以及主轴转速、螺距、切向每齿进给量、偏心距和振幅对轴向力的影响规律,并初步得到工艺参数优化结论。结果表明,在超声辅助条件下CFRP/Ti叠层材料螺旋铣孔的轴向力明显减小。其他工艺参数对轴向力的影响程度大小顺序为偏心距>螺距>切向每齿进给量>振幅>主轴转速。     

复合材料成型分层缺陷在钻削横刃挤压阶段的扩展行为

碳纤维增强复合材料由于具有高比强度、高比模量等优异性能,广泛应用于先进装备的承力构件中。此类复材构件在铺放固化成型过程中易产生随机分布的分层缺陷,若缺陷区域与构件连接孔加工区域交叠,将使制孔损伤产生机制更加复杂、加工质量更难以保证。为保障碳纤维复合材料构件的加工质量,揭示成型分层缺陷对制孔质量的影响机制,针对钻削过程中成型分层缺陷的动态演化行为进行研究,得到其在钻削过程中轴向力最大的横刃挤压阶段发生扩展的临界条件以及扩展长度的计算方法。基于此,结合钻削试验对预埋分层缺陷在制孔过程中的扩展行为进行在线观测,最终获得刀具作用位置对缺陷扩展行为的影响。该研究成果将为后续有关复材成型缺陷在钻削过程中扩展的抑制方法研究提供基础,也将为丰富复材损伤抑制理论作出贡献。     

低频振动钻削CFRP/钛合金叠层材料试验研究

在叠层材料一体化制孔过程中,CFRP制孔质量极易受到钛合金切屑排出的影响,出现入口撕裂、孔径超差等加工缺陷。为了提高叠层材料的制孔质量,本文分析了振动钻削的运动学特征,确定了理论最小断屑振幅,通过低频振动钻削和传统钻削叠层材料的对比试验重点探讨了不同振幅参数对切削力、切削温度以及制孔质量的影响。结果表明:随着振幅增大,钻削平均轴向力小幅下降,最大轴向力呈现上升趋势;当振幅大于最小断屑振幅时,低频振动钻削在实现有效断屑排屑的同时能够显著降低切削温度,提高孔壁质量和孔径精度;CFRP入口撕裂受振幅的影响最为明显,加工振幅过大会导致入口撕裂的扩大;当振幅为30μm时,入口撕裂区域最小,孔壁粗糙度达到R_a2.16μm,叠层材料总体制孔质量最好,切削温度同时降低了20.8%。     

CFRP及叠层结构螺旋铣孔专用刀具切削性能评价

碳纤维增强复合材料(CFRP)及由钛合金Ti-6Al-4V和CFRP组成的金属复合材料叠层结构广泛应用于现代航空工业。大型客机结构件之间主要通过铆接和高锁螺栓连接,根据波音与空客公司发布的数据显示,最新一代B787与A380上装配孔的数量已超百万,装配过程中的制孔效率与质量直接决定了客机整体装配效率及关键结构件的疲劳寿命,从而间接影响了客机的生产成本以及飞行可靠性。随着飞机数字化装配的快速发展,传统的钻孔工艺会产生很多加工缺陷,工序复杂,加工孔质量不能满足要求,因此,有必要优化制孔工艺,设计新型专用刀具。本文通过研究螺旋铣孔运动学特性,分析螺旋铣孔的工艺特点,设计了一种新型螺旋铣孔专用刀具,并以加工过程的轴向切削力、出入口加工质量以及刀具磨损为评价指标,验证该新型专用刀具的切削性能。结果表明,专用刀具在干切削条件下能够实现复材孔无分层、钛合金孔无毛刺加工,大幅提高刀具寿命,解决了传统立铣刀对CFRP及CFRP/钛合金叠层结构进行螺旋铣孔时刀具寿命低、加工质量差等问题。     

飞机叠层材料精密制孔工艺研究

针对叠层材料在数控机加制孔中出现的孔口孔径超大、孔壁表面缺陷等质量问题,从工艺方案、叠层间隙、刀具动平衡等方面着手,分析了叠层材料孔口孔径超大和孔壁表面缺陷的要因。基于分析结果提出了叠层材料装配组件制备过程的优化方法及其阶梯组合制孔的技术方案,并在A350客机大型叠层材料构件上应用。应用结果表明,该研究极大地提高了叠层材料制孔质量,制孔合格率也由70%提升至95%以上,实现了叠层材料高精度孔的数控加工。     

CFRP/铝合金叠层结构动态钻削力预测研究

建立了CFRP(carbon fiber reinforced plastics)/铝合金叠层结构制孔轴向力分阶段预测模型,提出一种面向分阶段的钻削过程描述方法。阐述了CFRP与铝合金的叠层方式,根据钻削过程中钻头所处位置确定不同的钻削阶段;在钻削过程分析的基础上,通过解析建模方法给出了叠层结构动态轴向力预测方法,并详细分析了模型公式中积分限的计算方法;进行了叠层结构制孔实验,测量分阶段的瞬时制孔轴向力。通过对比发现提出的预测模型与实验值吻合较好,能够准确预测CFRP/铝合金叠层结构制孔轴向力。     

TiSiC涂层钻头钻削CFRP/TC4钛合金叠层材料的研究

为解决碳纤维复合材料/钛合金叠层材料制孔刀具使用寿命短的问题,本文提出采用Ti Si C涂层来提高刀具耐用度,并研究了Ti Si C涂层钻头钻削碳纤维复合材料/钛合金叠层材料时的轴向力、刀具磨损和孔出口质量。结果表明,Ti Si C涂层刀具能减小钻削钛合金的轴向力,延长刀具寿命和改善孔出口质量,且制孔一致性良好,有利于提高钻孔质量和刀具寿命。     

碳纤维复合材料/铝合金叠层制孔的轴向力研究

采用三尖形的CVD金刚石涂层钻头钻削碳纤维复合材料/铝合金叠层,对制孔轴向力进行了测量,分别探讨了转速和进给量对叠层制孔轴向力的影响。通过回归分析,建立了轴向力随工艺参数变化的经验公式。对刀具不同磨损阶段下的制孔轴向力进行了检测,得到了制孔数量和后刀面磨损量对轴向力的影响规律。     

钛合金/CFRP叠层材料自动制孔工艺参数优化研究

针对钛合金/CFRP叠层自动制孔参数优化问题,分别对钛合金啄钻参数、转速、进给量以及复合材料转速、进给量进行优化试验。对钛合金进行啄钻参数试验,结合钛合金切屑形貌和加工效率,得出啄钻参数为0.4mm时,制孔刀具啄钻加工参数最佳。依据孔壁表面粗糙度对制孔参数进行考察,结合刀具磨损情况和制孔轴向力分析,得出刀具的制孔参数为：钛合金转速400r/min,进给量0.100mm/r, CFRP转速3000r/min,进给量0.012mm/r。结果表明,此时制孔轴向力和刀具磨损量最小,制孔质量最优。     

钻头几何角度对CFRP和钛合金叠层制孔的影响

针对碳纤维复合材料(CFRP)与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命低、出入口质量不易保证、影响加工质量和制孔效率等问题。以钻头螺旋角、外缘后角和顶角为主要研究对象,进行试验方案设计,揭示钻头几何角度对叠层结构制孔切削力及出入口质量的影响规律,表明:碳纤维复合材料与钛合金叠层结构制孔的钻头最佳几何角度:螺旋角25°左右,顶角140°左右,外缘后角12°左右。     

加工铝合金叠层结构的钻锪复合刀具优化设计

飞机壁板多为铝合金叠层结构,在自动钻铆加工过程中,对制孔毛刺有严格的质量要求,而控制铝合金叠层结构制孔时产生的毛刺是加工的关键点和难点。钻锪复合刀具作为制孔的执行端,对制孔质量起到关键作用。本文研究了毛刺产生机理,分析了叠层结构毛刺的特殊性,并探索出相应的控制方法。结合ABAQUS有限元仿真,针对性地优化了钻锪复合刀具的设计,使其满足铝合金叠层结构的加工需求。     

难加工材料(CFRP/Ti)叠层自适应制孔研究

CFRP/Ti在航空航天领域被广泛应用,在制孔加工中容易出现分层、劈裂、出口毛刺、刀具易损耗等问题,并且CFR P和Ti的材料加工特性差异大、加工工艺参数区间不重合,叠层制孔无法适用同一加工参数。对CFR P/Ti难加工叠层的变参数钻削控制方案、原理、自适应钻孔工艺等进行研究,开发异性难加工叠层自适应制孔功能模块。     

碳纤维复合材料/铝合金叠层制孔工艺试验研究

对复合材料/铝合金叠层在不同工艺参数下使用不同刀具的制孔工艺进行了研究,探讨了工艺参数对孔径精度、表面粗糙度以及铝合金出口毛刺的影响规律。通过回归分析方法建立了制孔质量与工艺参数之间的经验关系,同时对CVD三尖钻和CVD麻花钻的制孔效果进行了对比分析。结果表明,在保证孔径精度和孔壁表面质量及抑制铝合金出口毛刺方面采用三尖钻加工叠层材料更具有优势。     

CFRP/Ti叠层材料的钻削力变化趋势及振动特性

为了研究钻削参数对CFRP/Ti叠层材料钻削力的影响及钻削过程中的振动特性,采用正交试验的方法对叠层材料进行了一体化钻削试验。采用测力仪对加工过程中的钻削力进行测量,并通过对钻削力的分析,研究了钻削过程中的振动特性。结果表明,扭矩和轴向力随主轴转速升高而减小,随进给速度的升高而增大,且进给速度对钻削力的影响强于主轴转速对其的影响。加工过程中取较高的主轴转速,较低的进给速度将保证孔的加工质量。在CFRP/Ti叠层材料加工过程中,加工至两材料接触面的位置时,存在剧烈的切削振动现象。     

加工参数对CFRP/钛合金叠层材料制孔质量的影响

对CFRP/钛合金叠层材料进行一体式钻削试验,以钻削力、孔径、钛合金切屑形状以及孔口质量为指标,研究了切削参数对CFRP/钛合金制孔质量的影响规律。结果表明,提高转速与降低进给量可以降低钻削轴向力;孔径大小随着主轴转速的增大而减小,随着进给量的增大而增大,CFRP孔径比钛合金孔径偏大;采用较大的进给量有利于钛合金形成碎屑状切屑,避免带状切屑排出时划伤已加工CFRP表面;高进给量低转速的加工参数有利于钛合金孔质量的提高。     

玻璃纤维与钛合金叠层的装配制孔工艺技术研究

新型高温固化环氧玻璃纤维复合材料具有高强度、高模量、耐酸碱、比量轻及韧性好等优异性能,广泛应用于航空领域。针对玻璃纤维复合材料与钛合金叠层制孔加工易出现分层、劈裂、出孔面毛刺和刀具易受损等问题,对新型玻璃纤维叠层材料的制孔工艺方案及刀具选择等进行了研究。基于玻璃纤维复合材料与钛合金叠层制孔加工性能的研究,通过对普通钻头、三尖两刃钻头及斜刃匕首钻制孔优势的试验及理论分析,制造了直刃匕首钻,并提出了逐层加工的工艺方法,有效解决了传统钛合金与复合材料叠层制孔出现的问题。