CFRP旋转超声辅助钻削的缺陷抑制 机理及实验研究

针对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在普通切削（CD）过程中因切削力及扭矩较大而产生的分层撕裂、孔壁纤维损失等缺陷,采用了旋转超声辅助钻削（RUAD）制孔方法。首先,分析了CFRP CD的孔缺陷类型及产生机理,并结合超声振动加工的特性,给出了RUAD的孔缺陷抑制机理。然后,搭建了包含非接触式感应供电旋转超声振动系统、立式加工中心和测力系统的实验平台。最后,在相同的工艺参数下,对比了CD和RUAD两种工艺下的切削力和扭矩、孔缺陷及孔壁质量。实验结果表明:相对CD,RUAD的切削力和扭矩分别降低41.46%~46.32%和41.61%~48.94%,且CFRP孔出入口及孔壁分层撕裂、纤维损失等缺陷得到了有效抑制,极大地改善了CFRP的钻孔质量。实验结果有效地验证了CFRP钻孔缺陷产生机理及超声振动抑制机理的正确性,RUAD可以用于CFRP低损伤制孔。      

钛合金超声振动钻削工艺特性仿真及试验研究

针对钛合金传统钻削中存在的切削力大、切削温度高和加工质量差等问题,研究了钛合金超声振动钻削工艺特性。首先,通过超声振动钻削的运动方程,分析了其断续切削和高速切削的特性;然后,利用Deform-3D对钛合金超声振动力钻削的轴向力、扭矩和切削温度进行了仿真,并通过超声振动钻削试验研究了轴向力、扭矩和出口毛刺相对传统钻削的变化。结果表明:钛合金超声振动钻削可以降低平均轴向力约20%,降低平均扭矩约40%,降低平均切削温度50%以上,钛合金超声加工孔的加工质量明显优于传统加工。钛合金超声纵扭复合振动钻削相比超声一维纵振钻削可以进一步降低钻削轴向力、扭矩和切削温度,体现出更好的钻削工艺特性。      

机器人旋转超声钻削铝合金叠层构件毛刺特性

针对铝合金叠层构件机器人制孔容易产生钻削毛刺，严重影响飞机装配精度和效率等问题，提出基于弱刚度环境下机器人旋转超声制孔毛刺高度的计算方法。首先，通过实验验证了高频的振动冲击对毛刺高度的影响规律，建立了机器人旋转超声钻削铝合金叠层构件的钻削力经验公式。然后，结合经典薄板弯曲理论和能量法，分析了超声振动及钻削位置刚性对机器人钻削铝合金叠层板毛刺形成的影响机制。实验结果显示:所提计算方法的相对误差在13%以内，具有较高的精度。      

高温合金微量润滑振动钻削温度与刀具磨损

为了解决高温合金钻削温度高、刀具磨损快的问题,采用微量润滑的振动钻削加工方法,从换热机制角度对振动钻削的降温机理进行分析,并进行振动钻削和普通钻削对比实验.结果表明:微量润滑普通钻削的最高测量温度达到了110℃且温度随钻削深度、钻孔个数的增加而升高,而振动钻削的测量温度为55℃左右且随削深度、钻孔个数的增加增长缓慢;普通钻削刀具磨损量达到0.5 mm且随钻孔个数的增加磨损加剧,振动钻削刀具磨损量只有0.22 mm且磨损量增加缓慢.     

钛合金薄壁件高速超声椭圆振动铣削机理和试验

针对航空领域中钛合金薄壁件在铣削过程中存在加工精度差、加工效率低等问题,提出了钛合金薄壁件高速超声椭圆振动铣削的方法。首先,在铣削加工中引入高速超声振动切削理念,使切削刀具刀尖附加椭圆振动进行超声频断续切削,可改善加工质量且突破了超声振动加工对临界速度的限制。然后,分析了该方法的分离原理,采用独立研制的超声椭圆振动铣削刀柄装置针对钛合金薄壁件进行了切削试验。试验结果显示,高速超声椭圆振动铣削相较于普通铣削,切削力降低20%~30%,且已加工表面让刀量降幅20%~30%,表面缺陷减少,表面粗糙度降低。      

CFRP/钛合金叠层构件陀螺铣孔方法

陀螺铣孔方法在普通螺旋铣孔的基础上，通过将铣刀倾斜一定的角度，使其在自转的同时围绕孔中心轴线做圆锥摆动式公转，以减少轴向力、提高制孔质量。利用陀螺铣孔方法对碳纤维增强复合材料（CFRP）/钛合金叠层构件进行制孔，分析了陀螺铣孔方法下制孔入口和出口阶段的材料去除速率、刀具侧刃和底刃的切削比例、底刃速度零点等。与普通螺旋铣孔相比，陀螺铣孔方法不会引起制孔入口和出口阶段材料去除速率的突变、其侧刃和底刃切削比例变大、底刃速度零点不进行切削。通过试验研究了制孔轴向力、切削温度的变化情况，发现陀螺铣孔方法可显著减小轴向力和切削温度。利用扫描电镜（SEM）对孔壁的表面质量进行了观测，发现陀螺铣孔方法可以消除CFRP孔入口部位的分层现象，且CFRP和钛合金材料的过渡部位也未产生明显的损伤。研究结果表明，陀螺铣孔方法有助于提高CFRP/钛合金叠层构件的制孔质量，具有潜在的工业应用价值。      

CFRP超声振动套磨钻孔高效排屑机理和实验

针对碳纤维增强复合材料（CFRP）在普通套磨钻孔（CCD）过程中，切屑粉尘粘刀和料芯堵刀导致的排屑效果较差而影响套磨加工效率和加工质量的问题，采用超声振动套磨钻孔（UVCD）新技术进行了CFRP高效套磨钻孔的基础理论和实验研究。从理论上分析了CFRP超声振动套磨钻孔原理和高效排屑机理，同时结合所设计的超声振动气钻和车床平台实验验证了CFRP超声振动套磨钻孔的高效排屑钻孔效果。结果表明:相比于CFRP普通套磨钻孔，超声振动套磨钻孔极大提高了切屑粉尘和料芯的排屑效果，有效防止了切屑粉尘粘刀和料芯堵刀现象，明显降低了12%~20%的钻削力、16%~24%的切削温度和33%~39%的孔表面粗糙度，明显改善了CFRP孔加工质量并且延长了套磨刀具使用寿命。      

群钻切削角度的计算与计算机分析

本文建立了用于群钻切削刃切削角度分析、计算的数学模型。这些切削角度是逐点变化的而且对群钻的切削性能有很大的影响。文中借助于钻头的CAD程序、分析了群钻的设计和刃磨参数对钻尖几何形状以及切削角度的影响,并可在设计过程中直观地显示出群钻各切削刃切削角度的变化规律。通过计算机对群钻切削角度的分析计算,可以有助于精确分析群钻的钻削机理并实现群钻钻尖几何形状的优化设计。     

钛合金的离子束改性

钛合金是航空航天工业常用的结构材料,它具有重量轻、强度高、抗腐蚀强等优良性能,但耐磨性较差.为提高其耐磨性,对TC4、TA7航材试件,采用溅射方法在其表面镀上钛膜,并用(N^＋＋N^＋₂)混合离子束进行动态反冲注入及单元素C^＋离子束注入两种方法,进行表面改性.精密摩擦、磨损试验及显微硬度测量结果,试件表面的滑动摩擦系数降低了64%~77%;磨损率减少了22%~48%;显微硬度提高0.3~1.4倍.证明离子注入有效地改善了合金表层的摩擦、磨损性能.对注入样品进行X射线光电子能谱(XPS)分析,发现注入后的钛合金表层,生成了大量的TiO₂,并析出TiN,TiC等金属化合物,这是降低摩擦系数,提高耐磨性的主要因素.添加C^＋离子注入的试件,其力学性能并无进一步改善,原因有待分析.     

穿透性损伤对钛合金蜂窝口盖壁板面内压缩性能影响

钛合金蜂窝口盖壁板在实际服役过程中可能会产生穿透性损伤，从而影响口盖壁板面内压缩性能。采用试验和有限元计算相结合的方法研究了穿透性损伤对钛合金蜂窝口盖壁板面内压缩性能的影响。结果显示：含穿透性损伤的钛合金蜂窝口盖壁板的面内压缩破坏载荷要略高于无损伤钛合金蜂窝口盖壁板，且面内压缩破坏载荷随穿透性损伤直径增大而增大；有限元模型预测的破坏模式与试验结果一致，预测的破坏载荷与试验结果的最大偏差为9.33%，两者吻合较好。研究结果可以为钛合金蜂窝口盖壁板的设计及面内压缩性能的预测提供数据支持和研究方法参考。     

航空制孔机器人末端垂直度智能调节方法

针对飞机蒙皮的机器人制孔中铆接孔的垂直度问题,提出了一种曲面法线测量的新方法,然后对钻头的姿态进行调整,保证钻头沿钻孔点的法线方向钻孔.该方法首先利用3个激光测距传感器测量出钻孔点周围3个特征点的坐标,然后求出已知的钻孔点处的切向量,通过叉积原理计算出钻孔点的法向量及其与钻头中心轴线的夹角,并将它们反馈到控制系统,最后控制系统利用定角度的二元角度调节法调节钻头的角度使其与钻孔点的法线重合.在航空制孔机器人平台上的实验及结果证明了这种钻头垂直度调节的高精度和高效性.     

轨姿控发动机动态推力与推力矢量测试系统研制

针对目前轨姿控发动机动态推力与推力矢量测试系统测量精度低、测试覆盖面不全及操作的复杂性,研制了一套基于压电测力平台的动态推力与推力矢量测试系统。此系统的研制攻克了测力平台结构参数优化技术、标准信号发生器设计技术、测试相间干扰处理技术等五项关键技术点.实现了连续脉冲力及多方向力的测量,系统操作可靠、便捷,各项测试指标满足总体要求,为动态推力及推力矢量测试提供了手段。     

考虑壁板单向压紧制孔瞬时回弹的压紧力优化

飞机大部件对接自动化制孔采用蒙皮侧单向压紧制孔技术，而由于在常见的自动化制孔系统中叠层材料被钻透的瞬间产生瞬时回弹，对制孔设备和加工质量等方面造成严重的影响，针对该问题进行机身蒙皮侧制孔压紧力优化分析。通过有限元分析方法进行制孔过程的模拟仿真，根据不同环境下的回弹现象，确定压紧力优化分析方案，综合考虑接触间隙、瞬时回弹和制孔刚性的影响，进行多目标优化分析，从而得到最优的压紧力工艺参数。计算结果表明，在飞机常见框间对接段自动化钻孔中，采用轴向力为150 N的麻花钻时压紧力的最优解为314.54 N，采用轴向力为100 N的自动化一体钻时压紧力的最优解为362.73 N。通过现场试验，压紧力最优解满足生产要求，实际最优压紧力低于最优解不超过20 N，因此考虑不同加工环境等因素构建合理的工艺参数选定范围。