CFRP制孔加工技术的研究进展与发展趋势

碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)因具有优异的物理和力学性能已广泛应用于航空、航天和汽车等领域的结构件制造。然而,CFRP材料和金属材料的属性截然不同,具有非匀质性和各向异性,在制孔加工过程中,极易产生分层、撕裂、毛刺等缺陷,严重影响其制孔质量。因此,CFRP-金属叠层结构制孔技术成为飞机连接装配过程中的一大难点。本文归纳了近年来CFRP钻削加工机理的研究现状,总结出CFRP切屑形成机理与纤维方向角的关系,轴向钻削力和钻削温度与刀具形状、工件材料和工艺参数之间的关系;分析了CFRP钻削过程中分层、毛刺、撕裂等典型加工缺陷的产生原因、检测和评价方法及抑制措施;探讨了CFRP制孔刀具材料、几何结构及仿真研究方面的最新进展,提出建立准确可靠的CFRP材料本构模型是钻削加工模拟仿真技术研究的关键;通过对变工艺参数钻削加工、机器人自动制孔加工及吸气式内排屑钻削加工等新型CFRP制孔加工技术的介绍,展望了CFRP制孔技术的发展趋势。     

旋转超声钻削碳纤维复合材料钻削力和扭矩的研究

针对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工过程中的问题,对金刚石套料钻旋转超声钻削CFRP-T700型复合材料展开了研究。研究发现,钻削力随主轴转速的增加具有减小的趋势,而扭矩则随着主轴转速的增加,呈现增大的趋势;与传统加工相比,旋转超声振动钻削可降低切削力及扭矩达56.6%和39.1%,有效抑制加工缺陷的产生。初步建立了切削力和扭矩之间的数学模型,并通过试验对切削力和扭矩之间的比例常数k加以验证。研究结果表明,旋转超声钻削CFRP在降低切削力和扭矩方面有较大优势。     

CFRP钻削温度场的数值仿真与分析

文摘为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)钻削过程传热规律及温度分布特性,在对材料热物理特性均匀化处理的基础上,利用COMSOL Multiphysics建立单向CFRP钻削温度场数值仿真模型,探究钻削过程中热量传递及温度场分布规律。结果表明,出口处温度场呈椭圆形分布状态,椭圆形最小值离心率e为0.771,且椭圆的长轴和纤维方向平行。通过实验对比,纤维方向和垂直纤维方向的温度误差分别为7.5%和7.8%,实验结果验证了数值仿真模型的正确性。     

短纤维增强PEEK复合材料钻削表面质量研究

利用热压成型法制备了短纤维增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料,在SXDK6050型数控雕刻机上分别用高速钢、硬质合金、TiN涂层麻花钻头干钻削加工复合材料,并测量孔表面粗糙度,以研究不同的切削参数、纤维类型、纤维含量以及不同材质的刀具对钻削加工表面质量的影响。     

高低频复合振动钻削CFRP/钛合金叠层结构试验

针对碳纤维增强复合材料（CFRP）和钛合金叠层结构在传统钻削过程中切削温度高、加工质量差等问题,基于低频振动钻削和高频（超声）振动钻削的优势,提出了高低频复合振动钻削的加工方法。采用自主研制的高低频复合振动钻削装置,对CFRP/钛合金叠层结构进行了制孔试验,对比研究了普通钻削、超声钻削、低频振动钻削和高低频复合振动钻削4种方式下的切削力、钛合金切屑形貌、切削温度和CFRP孔加工质量。结果表明：4种加工方式中,高低频复合振动钻削的轴向力波动相对较大,切削温度显著降低,产生的钛合金切屑呈不连续扇形且整体尺寸最小,CFRP孔出入口及孔壁的损伤程度最低,显著提高了加工质量,为复合材料叠层结构一体化制孔加工提供了指导意义。     

阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力及孔质量

根据碳纤维复合材料制孔过程中产生的缺陷,自主磨制专用钻头——阶梯钻对碳纤维复合材料进行钻削实验,研究了在不同加工参数下阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力、孔出口质量、孔壁表面粗糙度,并与普通麻花钻头进行对比。结果表明:阶梯钻产生的钻削轴向力是麻花钻的一半,孔壁表面粗糙度值更小,孔出口没有明显的缺陷,阶梯钻适合钻削碳纤维复合材料。     

碳纤维复合材料与钛合金结构制孔工艺研究

针对碳纤维复合材料(CFRP)与钛合金夹层结构钻削中存在的问题,进行了系统的工艺研究.主要从钻入侧的选取、钻削参数、制孔中存在的问题以及大直径孔加工工艺等几个方面进行试验研究,结果表明目前的钻削工艺需要改进.提出了适合实际操作的工艺方法,解决了夹层结构制孔中出现的问题,并对钻削刀具进行分析.     

超声振动钻削装置设计与研究

为解决碳纤维复合材料和钛合金钻孔加工过程中钻头磨损严重、加工孔质量差等问题,研制了一款超声振动钻削装置.超声振动钻削装置的性能取决于声振系统设计的好坏.本文首先对声振系统的结构设计进行了理论探讨,然后采用ANSYS软件对其进行了模态分析和谐响应分析.在碳纤维复合材料和钛合金的初步钻削试验中,超声振动钻孔和普通钻孔相比轴向钻削力分别减少了48％和31％,结果表明所研制的超声振动钻削装置具有良好的钻削性能.     

碳纤维复合材料钻削温度测试与分析

利用热像仪对碳／环氧复合材料高速钻孔时的钻削温度及温度场分布进行了系统的试验研究。实验结果显示,钻削热主要是由刀具后刀面与已加工表面之间的摩擦产生的。转速越高,钻削温度赵高;进给量越大,钻削温度越低,但钻削温度一般不超过环氧树脂的玻璃化转变温度。     

玻璃纤维复合材料钻削轴向力与分层分析

为研究玻璃纤维复合材料钻削轴向力与分层特征,以电镀金刚石钻头和硬质合金麻花钻为钻削工具,对玻璃纤维复合材料进行正交钻削实验,研究钻头的几何形状、刀具材质以及钻削工艺参数对玻璃纤维复合材料钻削轴向力和钻削质量的影响。结果表明,钻削工艺参数直接影响玻璃纤维复合材料的钻削轴向力和钻削质量,高转速、低进给速度和合适的刀具结构、刀具材质能够降低钻削轴向力并改善加工质量。电镀金刚石钻头的轴向力和出口分层损伤大于硬质合金麻花钻的钻削轴向力和钻削出口分层损伤,电镀金刚石钻头的结构优化可以有效改善钻削质量。     

CFRP/TC4叠层结构钻削仿真与实验研究

为探究CFRP/TC4叠层结构不同叠层顺序下的材料去除过程、两相材料及界面损伤形成机理,建立CFRP/TC4叠层结构钻削的有限元模型,并通过实验获得的轴向力、缺陷类型验证了模型的正确性。研究结果表明,当钻削顺序为CFRP→TC4时,CFRP入口处产生以撕裂型为主的入口分层,CFRP出口处未产生明显的推出分层,但在钻头的持续旋转作用下形成界面分层;当钻削顺序为TC4→CFRP时,当钛合金待切削层厚度较低时,轴向推力超过CFRP层间界面结合强度时产生界面相失效,TC4→CFRP的界面损伤比CFRP→TC4更加严重;TC4→CFRP主要形成以张开型、滑开型裂纹扩展为主的推出分层。     

CFRP/钛合金叠层材料制孔技术的现状与展望

综述了近年来国内外对CFRP/钛合金叠层材料制孔技术的研究进展,重点介绍了传统方法钻削CFRP/钛合金叠层材料过程中轴向力和扭矩、钻削温度的测量方法,轴向力和扭矩的变化规律,以及刀具磨损、加工损伤与钻削工艺的关系;对螺旋铣孔、低频振动钻孔和超声辅助振动钻孔的实现方法、运动特点和加工质量进行了分析总结,并对CFRP/钛合金叠层材料制孔技术的应用和研究动向进行了探讨。     

基于MBD的飞机钻铆机器人离线编程技术研究

为了提高飞机钻铆机器人离线编程的效率和质量,提出了基于MBD的智能离线编程技术。依据飞机钻铆的工艺特点构建了钻铆MBD模型,从钻铆MBD模型中自动提取待加工孔的坐标、法矢、材料、紧固件规格等工艺信息,据此规划最佳的机器人加工站位、加工路径和加工工艺参数,并利用CAA基于DELMIA软件开发了飞机钻铆机器人离线编程系统。     

CFRP在钻削加工中的声发射特性

文摘根据CFRP钻削过程中缺陷的产生机理,用声发射传感器采集钻削过程中的声发射信号有效值电压(RMS)。分析了在不同钻削参数下的RMS,对孔的入口处撕裂与出口处撕裂对应的RMS进行识别。结果表明:在钻削过程中,入口处和出口处撕裂会引起RMS的突变,能够有效的进行识别;主轴转速一定时,RMS随着进给量的增大而增大;进给量一定时,RMS随着主轴转速的增大而增大。     

CFRP钻削过程的切削热研究进展

以CFRP钻削加工过程的切削热和切削温度为研究对象,从其形成机理、产生的影响以及影响切削热的因素和控制切削热的方法四个方面进行了系统综述,对存在的问题进行了综合分析,并对今后研究方向进行了展望。     

CFRP材料振动制孔研究进展

本文对碳纤维增强复合材料(CFRP)的特性进行了回顾,概述了目前纤维叠层材料孔加工缺陷和应对办法。简述了振动辅助加工(VAM)的特点,以及振动辅助钻削加工(VAD)对加工缺陷的抑制机理,最后总结了目前振动辅助钻削CFRP取得的进展。     

New design of a compact aero-robotic drilling end effector: An experimental analysis

This paper presents the development of a normal adjustment cell (NAC) in aero-robotic drilling to improve the quality of vertical drilling, by using an intelligent double-eccentric disk nor-mal adjustment mechanism (2-EDNA), a spherical plain bearing and a floating compress module with sensors. After the surface normal vector is calculated based on the laser sensors’ feedback, the 2-EDNA concept is conceived specifically to address the deviation of the spindle from the sur-face normal at the drilling point. Following the angle calculation, depending on the actual initial position, two precise eccentric disks (PEDs) with an identical eccentric radius are used to rotate with the appropriate angles using two high-resolution DC servomotors. The two PEDs will carry the spindle to coincide with the surface normal, keeping the vertex of the drill bit still to avoid repeated adjustment and position compensation. A series of experiments was conducted on an aeronautical drilling robot platform with a precise NAC. The effect of normal adjustment on bore diameter, dril-ling force, burr size, drilling heat, and tool wear was analyzed. The results validate that using the NAC in robotic drilling results in greatly improved vertical drilling quality and is attainable in terms of intelligence and accuracy.     

碳/环氧复合材料钻削力影响因素的研究

针对碳/环氧复合材料进行了钻孔技术、尤其是高速钻孔技术的研究，紧密结合工程应用的现状，对钻削力及其影响因素进行了较为全面和系统的研究。结果表明：进给量是影响钻削力的主导因素，进给量越大，钻削力越大；进给量越小，钻削力越小。转速、钻尖直径及材料厚度对钻削力也有一定影响，但控制进给量是控制钻削力的最有效措施。     

Cutting force and specific energy for rotary ultrasonic drilling based on kinematics analysis of vibration effectiveness

Rotary ultrasonic drilling(RUD) has become an effective approach for machining advanced composites which are widely using in the field of aeronautics. The cutting kinematics and the corresponding material removal mechanisms are distinct in different drilling areas during RUD. However, these fundamentals have not been fully considered in the existing studies. In this research, two distinct forms of interaction induced by ultrasonic vibration were considered as impact-separation and vibratory lapp...