SiC颗粒增强铝基复合材料的超声振动钻削试验研究

在分析振动切削基本原理的基础上,采用了超声振动钻削的方法对金属基复合材料进行孔加工。借助自行研制的超声钻削设备,通过使用不同材质的硬质合金麻花钻,对两种不同含量的SiC颗粒增强铝基复合材料进行了普通钻削与超声振动钻削的对比试验。从复合材料的破碎形式、超声振动钻削力、钻头磨损以及孔的加工质量等4个方面对超声振动钻削复合材料的特性进行了研究。结果表明,轴向超声振动钻削能够提高入钻的定位精度及孔的表面质量,有效地改善钻头横刃的磨损,同时,钻削扭矩较普通钻削降低约30%。     

陶瓷复合构件的钻削力试验研究

以典型的陶瓷复合构件(陶瓷/玻璃钢/铝合金)为例,通过烧结金刚石套料钻头定压加工试验,深入分析了孔加工过程中的钻削力变化规律。通过正交试验和多元回归分析,建立了综合考虑钻头参数和切削用量的工程陶瓷套孔加工钻削轴向力的经验公式,并分析了各参数对钻削轴向力的影响。研究成果为工程陶瓷及陶瓷复合构件套孔加工时钻头参数和切削用量的优化选择提供了参考依据,对专用机床的开发也具有一定的指导意义。     

碳纤维增强复合材料纵扭复合超声振动钻削试验

碳纤维增强复合材料(CFRP)以其优越的性能被广泛应用于航空航天领域,然而其作为典型难加工材料,采用传统钻削加工时极易出现毛刺、撕裂、分层及加工表面质量差等现象,严重制约了CFRP的应用。采用纵扭复合超声振动钻削和普通钻削两种钻削方式加工CFRP板材,对比了两种钻削方式下的轴向力、扭矩及钻孔质量,研究了单向型和编织型CFRP板材的钻削轴向力特性,分析了转速、进给速度对钻削轴向力的影响规律。试验表明:纵扭复合超声振动辅助钻削可以更加有效切削CFRP,降低轴向力和扭矩,降低撕裂因子,抑制分层现象;钻削轴向力随着进给速度提高而增大,随着钻速的提高而降低,且当Vc/Vf增大时,钻削轴向力随之下降,试验拟合得到轴向力经验公式。     

两种钻头高速钻削碳纤维复合材料时的钻削力与钻削温度对比

采用金刚石涂层钻头和硬质合金麻花钻头对单向T800碳纤维复合材料进行高速钻削试验,对比分析了两种钻头在不同转速和进给速度下钻削时的钻削力与钻削温度,并研究了钻削力对制孔质量的影响。结果表明:高转速、低进给速度能有效提高孔的加工质量;在相同加工参数下,与硬质合金麻花钻头相比,用金刚石涂层钻头钻削时,钻削轴向力减小40%,钻削温度至少降低17%,更适合钻削碳纤维复合材料。     

轴向超声振动钻削的钻削力和切屑形态研究

建立了钻削加工仿真模型,并采用麻花钻对钛合金进行振动钻削试验。利用ABAQUS软件进行轴向超声振动钻削仿真,试验验证和对比分析了轴向超声振动钻削在不同加工参数下的切屑形态和钻削力。仿真与试验结果表明:随着进给量和振幅增加,钻削力增大,但进给量对钻削力的影响大于振幅;无论是进给量还是振幅的改变,对切屑形态均有影响。     

超声振动辅助钻削BK7的试验研究

针对BK7光学玻璃在传统制孔过程中出现的入孔边缘质量差和轴向力大的问题,提出了采用50kHz超声波辅助加工装置,开展超声振动辅助钻削BK7的对比实验和加工参数单因素实验。从普通加工和超声振动辅助加工基本运动学角度深入分析了加入超声振动后轴向力减小的原因,以及不同振幅、转速对轴向力减小幅度的影响。研究结果表明：与传统钻削相比,金刚石套料钻超声振动辅助钻削不仅可以获得更小的轴向力,还可以有效提高入孔边缘质量,当振幅增大、转速降低时,增大了轴向力的减小幅度。     

高速钻削芳纶纤维复合材料轴向力预测模型研究

采用超细微碳化钨晶粒麻花钻YG6对双向编织黑色芳纶纤维复合材料(AFRP)进行高速钻削试验研究。综合考虑钻头螺旋角β、顶尖角θ、主轴转速n、每齿进给量f对钻削轴向力Fz的影响,设计了正交试验表L27(3~(13))。采用多元回归方程建立钻削轴向力的模型,并利用SPSS软件对试验数据进行迭代运算最终得到轴向力模型。最后对轴向力模型进行回归分析和实验验证,得出该模型预测值与实际钻削轴向力误差最大值小于7. 86%。本文为芳纶纤维复合材料高速钻削加工参数的选取提供有效的参考依据。     

超声振动钻削SiC颗粒增强铝基复合材料时的切削力研究

采用超声振动钻削的方法对金属基复合材料进行孔加工。在自行研制的超声钻削设备的基础上使用不同材质的硬质合金麻花钻,对不同含量的SiC颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)进行了普通钻削与超声振动钻削的对比试验,并分析比较了加工中切削力的变化规律。试验表明,超声振动钻削可以降低切削力,在一定程度上改善钻削机理。     

碳纤维复合材料麻花钻钻孔轴向力的数值模拟

针对碳纤维增强树脂基复合材料制孔质量差的问题,建立了麻花钻钻削该复合材料的有限元模型,应用ABAQUS软件对不同工艺参数下钻孔过程中的轴向力进行了数值模拟,并通过相同工艺下的钻削试验进行验证。结果表明:轴向力随着主轴转速的增大而减小,随着进给速度的增大而增大,且轴向力受进给量的影响较大;数值模拟结果与试验结果吻合度较好,证明了有限元模型的合理性。     

钛合金旋转超声辅助钻削的钻削力和切屑研究

针对难加工材料钛合金在采用普通麻花钻传统钻削过程中存在钻削力和扭矩较大使得钻孔困难,刀具使用寿命低,连续长切屑易缠绕刀具、划伤孔加工表面、增大刀具-切屑-工件孔壁之间的摩擦以及排屑差引起堵屑和卡刀具的问题,引入一种新刃型刀具（即八面钻）,并结合超声振动钻削技术,进行了钛合金旋转超声辅助钻削试验。分析了旋转超声辅助钻削和普通钻削中切屑形成原理,采用文中所设计的旋转超声振动钻削主轴结合BV100立式加工中心平台、测力系统和非接触激光测量系统进行了无冷却条件下基于八面钻的钛合金旋转超声辅助钻削和普通钻削试验以及钻削力、扭矩和切屑形态的研究。试验结果表明：相比于普通钻削,超声钻削明显降低钻削力和扭矩分别为19.07%~20.09%和31.66%~34.3%,明显增强了钻头横刃和主切削刃的切削能力,获得了良好的断屑和排屑效果,提高了切削过程的稳定性,能够极大改善钛合金钻孔过程钻削困难、刀具使用寿命低和孔加工质量差的问题。     

陶瓷基复合材料旋转超声加工特性研究

针对陶瓷基复合材料加工方法的优势和不足,采用旋转超声加工方法对陶瓷基复合材料进行加工,完成旋转超声加工方法与传统加工方法的对比试验。试验表明,钻削力随着主轴转速的增加而减小,随进给速度的增加而增加;扭矩随着主轴钻速的增加而减小,随进给速度的增加而增加;工件表面粗糙度随着主轴转速和进给速度的增加先降低后增加。超声加工方法获得的钻削力、扭矩和表面粗糙度均优于传统加工方法。     

碳纤维/聚酰亚胺和碳纤维/环氧树脂复合材料钻削加工性对比研究

对碳纤维/聚酰亚胺和碳纤维/环氧树脂两种复合材料的钻削加工性能进行了对比研究,分析了不同主轴转速和进给量条件下碳纤维增强复合材料加工过程中轴向力和钻削温度的变化规律,并对钻削后的制孔质量(如出口形貌与撕裂程度)进行了研究。结果表明:碳纤维/环氧树脂相比碳纤维/聚酰亚胺的钻削加工性能更差,主轴转速和进给量对两种复合材料的制孔质量有显著影响。     

碳纤维复合材料超声钻孔的研究

为碳纤维复合材料构件钻孔研制成一套旋转超声钻新技术。讨论了小型化超声振动系统的设计要点及试验分析；电流反馈式搜索电流最大值，超声波发生器的频率自动跟踪；轴向力约束型适应控制以及工具的等阻抗匹配。已将此超声振动钻孔系统制成便携式旋转超声钻，加工碳纤维复合材料效果良好。     

玻璃钢复合材料夹层结构钻削试验研究

玻璃钢复合材料夹层结构凭借其优越的性能在航空航天、国防等领域得到了广泛应用,但在钻孔的过程中经常因钻削轴向力过大而出现分层、撕裂等缺陷.为此,利用正交试验方法,选用不同材质的钻头、不同切削参数对玻璃钢复合材料夹层结构进行钻削试验,分析这些因素与钻削轴向力之间的关系,得出最适合的切削参数.然后通过方差分析,得出各因素对钻削轴向力的影响程度.最后从钻削工艺角度提出改进措施,进一步提高钻孔质量.     

GFRP旋转超声振动套孔加工仿真及工艺研究

玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass fiber reinforced plastic,GFRP)具有比强度高和比模量大等特点,广泛应用于航空航天、船舶军工和汽车制造等领域。针对GFRP复合材料制孔加工中容易出现分层、撕裂等缺陷,采用旋转超声振动套孔加工方法对其进行磨削制孔的理论和试验研究。分析了旋转超声振动套孔加工中单颗磨粒的运动学特性,基于Hashin失效准则,对GFRP复合材料最具代表性的0°和90°角度铺层玻璃纤维进行磨削常规和旋转超声振动套孔加工有限元仿真研究。相较于常规加工,超声振动加工使磨粒具有周期性动态冲击磨削效果,改变了材料的去除方式,降低了磨削力,结果表明：超声振动加工的轴向力最大降幅可达20.1%,同时有效抑制了出口分层缺陷,孔壁表面的纤维断口光滑平整,制孔质量得到有效改善。     

小角度螺旋槽钻头加工复合材料的模拟研究

针对碳纤维复合材料制孔时易产生毛刺、撕裂、分层等难题,首次提出了一种螺旋角为10°且顶角为83°的小角度螺旋槽钻头加工碳纤维复合材料的方法,并进行了钻削过程的有限元模拟分析.给出了主轴转速、进给速度、钻头几何角度等对加工过程中产生的钻削轴向力的影响,对比分析了两种钻头加工碳纤维复合材料的轴向力和加工出口质量.结果表明:复合材料的钻削轴向力受主轴转速的影响大于进给速度,并随主轴转速的增大而减小,随进给速度的增大而增大;同时,小角度螺旋槽钻头加工碳纤维复合材料时产生的轴向力小于麻花钻,破坏区域小,加工质量好,更适合碳纤维复合材料的制孔加工.     

金刚石涂层钻头钻削碳纤维增强复合材料的工艺

采用金刚石涂层854钻头进行了钻削碳纤维增强树脂基复合材料T300和T800的试验,使用测力仪与超景深三维显微系统对钻削过程中的钻削力以及孔出、入口缺陷进行了测试与观察。分析了钻削力随时间的变化规律,切削用量对切削力和钻孔质量的影响。实验结果表明:在相同进给速度下,随转速增加,轴向力呈减小的趋势;在同一转速下,轴向力随着进给速度增加呈逐渐增大的趋势,已加工孔的入口质量比出口质量好。在相同参数下,T300比T800的轴向力要小,T300的平均力约为T800的2/3左右。T800的撕裂长度约为T300的1/3左右。     

基于Deform-3D轴向振动钻削P20有限元仿真

针对机械特种加工振动钻削过程的工艺选择对加工效率及表面质量的影响等问题,基于有限元分析软件Deform-3D模拟振动钻削P20模具钢的加工过程.通过单因素试验法分析主轴转速、进给速度和振幅对于轴向力和转矩的影响,并与普通钻削加工进行对比;通过正交试验法验证了钻削参数对轴向力和转矩的影响规律.研究表明:振动钻削相比普通钻削可以降低轴向力和转矩,具有更好的钻削工艺特性.     

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。     

C/SiC复合材料钻削工具载荷及磨损研究

采用HAM PCD焊刃麻花钻、KENNA CVD涂层麻花钻、金刚石套料钻(普通钻削与超声辅助钻削两种方法)三种工具对C/Si C复合材料进行了钻削试验,并对工具磨损情况、钻削力及扭矩进行了对比分析。结果表明:累计钻削深度lT=160mm后,套料钻普通钻削、超声辅助钻削磨损程度较轻,而HAM PCD焊刃麻花钻,KENNA CVD涂层麻花钻磨损严重。不同工具钻削加工时钻削力及扭矩随着工艺条件的变化呈现不同的变化趋势;采用套料钻加工时,与普通钻削相比,超声辅助钻削可有效降低钻削力及扭矩,最大降低幅度分别达到23%、56%。整体而言,套料钻超声辅助钻削加工时钻削力及扭矩较小、工具磨损较轻,是一种适合于C/Si C复合材料制孔的工艺方法。