钛合金螺旋铣孔工艺参数对孔加工质量的影响

现代飞机制造业中钛合金使用日益广泛,而螺旋铣孔是飞机制造装配中大孔径连接孔加工的一种新工艺方法。对于钛合金的大孔加工,螺旋铣孔制孔质量显著高于钻孔。实验研究了每齿轴向进给量、每齿切向进给量、切削速度与偏距四个参数对于钛合金螺旋铣孔质量的影响。实验结果表明:每齿轴向进给量与切削速度是出口毛刺高度的主要影响因素;孔径偏差的主要影响因素是每齿切向进给量与每齿轴向进给量;每齿切向进给量与每齿轴向进给量的增加会导致切削表面残余高度增加,从而造成螺旋铣孔孔壁表面粗糙度随着而上升;偏距增加会保证足够的排屑空间,从而避免孔壁划伤,对于提高孔壁质量有利。通过优化选择工艺参数,可以满足飞机制孔工艺质量的要求。     

螺旋铣孔技术的原理及其应用

螺旋铣孔技术相对于传统钻孔技术具有很大的优势,在航空制造业中得到了应用。本文在对比了传统钻孔与螺旋铣孔特点的基础上,分析了螺旋铣孔的切削过程与切屑形成机理,并在钛合金的孔加工中得到验证。试验结果表明,螺旋铣孔加工钛合金时,切向力与法向力随着每齿轴向进给量的增加而增大,随着每齿切向进给量的增加而减小;由于不同的切屑流向而形成2种不同的切屑,并与切屑形成的机理相吻合。     

镍基合金螺旋铣孔加工质量研究

进行了GH4169镍基合金螺旋铣孔加工的正交试验及后续检测,研究了加工质量(尺寸精度、表面质量),并以此探究采用螺旋铣孔工艺替代常规钻孔加工镍基高温合金的可行性。试验及检测结果表明:螺旋铣孔工艺制孔的入口质量良好,无毛刺,但出口处质量稍差,出现了较明显的毛刺;在合理的参数选取范围内,制孔的孔径偏差和圆度偏差能够满足航空工业的要求;孔壁最大表面粗糙度Ra为0. 345μm,远低于常规钻孔的孔壁表面粗糙度,达到了精加工的水平;孔壁表面层出现了一定程度的加工硬化(硬化程度为118. 8%-125. 1%),但并没有出现热软化现象;孔壁表面残余应力表现为压应力(应力范围-902. 0MPa～-396. 3MPa),有利于提高孔的疲劳寿命。因此,螺旋铣孔工艺能够提高镍基高温合金制孔的加工质量,在加工镍基合金时替代常规钻孔工艺是可行的。     

基于斜角切削理论的钛合金螺旋铣孔切削力建模

通过分析螺旋铣孔的加工原理和计算加工过程中的运动向量,结合侧刃和底刃对切削力的影响,建立了螺旋铣孔过程的切削力解析模型。提出了基于斜角切削的切削力系数辨识方法,并根据斜角切削过程几何关系推导出摩擦角、剪切角、剪切应力的约束方程。开展切削力系数辨识试验和钛合金螺旋铣孔试验对仿真值进行验证,结果表明,切削力的仿真值与试验值误差较小,平均误差为9.55%,从而验证了斜角切削系数辨识方法的有效性和切削力模型的正确性。     

基于有限元仿真的碳纤维复合材料螺旋铣孔研究

碳纤维复合材料传统钻孔过程中,常常出现毛刺、撕裂、分层等缺陷,螺旋铣孔作为一种新的制孔工艺,能有效减少制孔过程中出现的问题。基于ABAQUS有限元软件分别建立碳纤维复合材料螺旋铣孔和传统钻孔的三维模型,并且从轴向力和加工质量两方面进行了对比和研究。结果表明,无论是切削轴向力还是加工质量,螺旋铣孔的效果都比传统钻孔好。     

TC4钛合金螺旋铣孔工艺孔壁表面完整性研究

研究了螺旋铣孔工艺参数(主轴转速、每齿切向进给以及螺距)对TC4钛合金孔壁表面完整性的影响规律。通过开展TC4钛合金螺旋铣孔加工正交试验并利用粗糙度仪、显微硬度计、X射线应力仪、金相显微镜等测量分析了螺旋铣孔工艺对表面粗糙度、显微硬度分布、表面层残余应力分布以及显微组织变化的影响。结果表明:孔壁最大表面粗糙度Ra 0.431μm,能很好满足航天工业对制孔粗糙度的要求;适当孔壁硬化(硬化程度为129%~141%)提高了耐磨性;表面层残余应力均为压应力,有利于提高孔的疲劳性能;由于散热良好和机械载荷小,孔壁表层并没有出现"白层"现象;因此,螺旋铣孔工艺能大大改善钛合金制孔表面完整性。     

钛合金/CFRP叠层构件螺旋铣孔界面切削热研究

随着钛合金和复合材料(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP)在航空航天制造业的应用比例逐渐增多,其叠层构件切削加工也成为研究热点。由于切削温度不仅影响刀具的磨损和耐用度,同时也会直接影响工件的加工精度和表面质量,本文在分析螺旋铣孔特点的基础上,对钛合金/CFRP叠层构件界面热传递机理进行了研究,建立了钛合金/CFRP叠层构件界面热传递模型,通过有限差分法对模型进行数值仿真求解;结合钛合金/CFRP螺旋铣孔实验,修正了刀具与工件的热传递系数以及工件界面温度传导率,通过钛合金/CFRP叠层构件螺旋铣孔切削热理论模型与试验结果对比,发现本文提出的理论模型分析结果和实验测量结果具有较高的一致性,能为钛合金/CFRP叠层螺旋铣孔加工工艺优化提供理论依据。     

CFRP/钛合金叠层构件钻孔刀具制孔质量对比研究

钛合金与碳纤维增强复合材料(Carbon-fiber reinforced plastics,CFRP)均广泛应用于航空航天领域。钛合金/复合材料构成的叠层构件对钻孔刀具提出了更高的要求。试验采用两种不同"变顶角"结构的钻头进行了钛合金/CFRP叠层构件钻孔实验。并对比分析了两种刀具加工孔的表面质量和切削力。结果发现:顶角由小变大的钻头轴向力较大,出口质量较差,但转矩小,孔径精度高,孔壁质量好;而顶角由大变小的钻头转矩较大,孔壁质量较差,但轴向力小,能有效抑制出口毛刺和撕裂,减小CFRP层孔的圆柱度误差。因而在加工以复合材料为出口的叠层构件时,顶角由大变小的钻头更具有优势。     

碳纤维复合材料螺旋铣孔刀具磨损研究

碳纤维复合材料传统钻孔时轴向力较大,容易产生毛刺、撕裂以及分层等加工缺陷。作为一种新型制孔工艺,螺旋铣孔能有效地减小轴向力,从而改善加工质量。在螺旋铣孔过程中,铣刀底刃和侧刃均参与材料的切除,因此,其磨损形式也与传统钻削时的钻头不尽相同。通过碳纤维复合材料螺旋铣孔试验,观察铣刀底刃、侧刃和刀尖的磨损情况,并分析它们对轴向力、孔径和出口质量的影响。结果表明,由于切削环境和材料切除量的差异,铣刀底刃和刀尖的磨损要比侧刃严重得多;螺旋铣孔下孔的直径主要与铣刀侧刃的磨损情况有关;铣刀底刃的磨损会直接导致轴向力的增大,从而间接影响孔的加工质量。     

钛合金的深孔钻削技术研究

钛合金的切削加工性能差,其深孔钻削的技术难度更大。枪钻是深孔钻削的高效刀具,能有效解决钛合金的深孔加工问题。本文基于对钛合金材料切削性能和深孔钻削工艺的分析,通过深孔钻削试验,改进了钛合金叶片深孔钻削工艺,提高了枪钻寿命。     

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。     

飞机壁板柔性装配螺旋铣孔单元的研制

针对现代飞机壁板高效精密制孔的需求,研制一种面向大型航空组件柔性装配的新型螺旋铣孔单元。首先,通过对国内外现有机身自动制孔系统的技术分析,并结合壁板装配制孔的作业特点,引入一种新兴的制孔技术——螺旋铣孔。其次,对螺旋铣孔运动进行功能分解,展开了螺旋铣孔单元的模块化设计,确定了偏心调节模块的传动方案,设计了铣刀结构与装夹方式。最后,基于螺旋铣孔单元样机,对航空铝合金和碳纤维复合材料进行了切削试验,结果表明铣孔质量基本满足飞机装配的精度要求。     

钛合金大直径孔螺旋铣削工艺优化研究

本文基于螺旋铣孔技术,采用正交试验和极差值分析方法,在钛合金上进行了19.05mm直径孔的螺旋铣削试验。分析了不同切削参数对轴向切削力、钛合金孔径、粗糙度等的影响,以此为指标优化出最佳工艺参数。在此基础上研究了最佳参数下切削力、加工质量和刀具磨损随加工孔数的变化,发现在大直径孔加工中,螺旋铣孔技术可有效改善加工质量、提高加工效率。     

钛合金高速铣削刀具磨损的试验研究

通过高速铣削钛合金TC4的切削试验,讨论了切削参数、刀具材料等对刀具磨损的影响。     

钛合金精密铣削的表面粗糙度研究

进行了精密铣削钛合金粗糙度试验研究,采用正交分析方法,分析切削三要素铣削速度、进给量、铣削深度对表面粗糙度的影响规律,试验采用直径为2mm的3刃铣刀进行铣削。试验结果表明：表面粗糙度影响顺序依次是进给量、切削速度、切削深度。进给量选为0．01—0．05mm／min时,表面粗糙度随进给量的增大而增大。铣削深度在60—150μm、铣削速度在18．84-47．10m／min试验范围内,最优铣削速度为37．68m／min。而铣削深度对钛合金表面粗糙度影响不大。     

钛合金铣削仿真分析及实验研究

由于良好的综合性能,钛合金被广泛应用,但钛合金加工性能差,刀具易磨损。为了提高钛合金铣削刀具寿命,设计正交实验,运用AdvantEdge FEM软件对TA15钛合金进行了三维铣削仿真,分析了切削温度与铣削参数之间的关系。基于铣削参数-温度图,并结合切屑云图,给出了优化后的铣削参数。铣削实验表明,仿真分析可以优化铣削参数...     

钛合金零件高速铣削刀具磨损的试验研究

高速铣削钛合金时,由于切削区内的切削温度高,加剧了刀具的磨损。通过对钛合金TC4的高速铣削实验,得出带TiA lN涂层的硬质合金刀具切削钛合金TC4时的刀具磨损的变化规律和刀具耐用度公式。通过对刀具磨损特性的分析,研究结果主要是刀具表面层的粘结相Co在高温下丧失对WC颗粒的结合强度,磨损机理以高温下的粘结层撕裂磨损为主。