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。     

CFRP/TC4叠层结构制孔技术对比实验

因CFRP、TC4材料的物理性能差异较大，导致CFRP/TC4叠层构件切削性能匹配性较差，钻削过程中存在界面损伤、CFRP孔壁损伤难以调控的问题。针对上述问题，本文采用变参数啄式钻削工艺、变参数钻削工艺和恒参数钻削工艺对CFRP/TC4叠层结构进行了制孔实验，并对不同工艺条件下的轴向力、界面质量、TC4的切屑形态、CFRP层孔壁质量进行了对比分析。结果表明：相对于其他两种钻削工艺，在变参数啄式钻削工艺条件下，TC4材料层轴向力明显较高，产生短带状和短螺旋状切屑；CFRP层出口和入口处的孔径更接近于名义孔径，孔壁缺陷较少，表面粗糙度相对较小。     

CFRP/Ti叠层构件螺旋铣孔层间孔径偏差研究

螺旋铣孔是航空航天领域装配孔加工的一种新型加工工艺,与传统钻孔工艺相比,具有加工质量好、制孔效率高、刀具成本低等优势。在进行碳纤维复合材料（CFRP）/钛合金（Ti）叠层构件螺旋铣孔时,由于两种材料特性差异巨大,易导致层间出现孔径偏差,影响制孔精度,成为螺旋铣孔技术应用过程中亟须解决的关键问题。基于便携式螺旋铣孔单元搭建了试验装置,开展了CFRP/Ti叠层构件螺旋铣孔工艺试验,分析了CFRP/Ti叠层构件螺旋铣孔层间孔径偏差的形成原因,提出了通过改变螺旋铣孔工艺参数和铣削方式减小CFRP/Ti叠层构件层间孔径偏差的工艺方法,并进行了试验验证。结果表明,变工艺参数加工可使层间孔径偏差有效降低,不超过0.02 mm。     

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。     

振动辅助钻削对CFRP/钛合金叠层结构孔径阶差影响规律实验研究

在飞机部件装配过程中，CFRP/钛合金叠层结构的连接十分常见，而由于两种材料迥然不同的材料性能，导致制孔后存在孔径阶差，严重影响了CFRP/钛合金结构的疲劳强度。本文开展了低频轴向振动辅助钻削的正交实验，分析了低频振动辅助钻削工艺参数与切削力和切屑形态的关系以及工艺参数对CFRP/钛合金孔径阶差的影响。结果表明，由于低频振动辅助钻削刀具的周期性进给，钛合金切屑由连续长切屑变为扇形短屑，减少了对CFRP的扩孔效应，钻削区域切削热降低，平均轴向力降低；另外，振幅和进给量对孔径阶差的影响较为显著，而主轴转速的影响较小，且孔径阶差随着振幅的增大先减小后增大，随着进给量的增大而增大。通过试验验证和分析，确定面向孔径控制的最优工艺参数组合方案：主轴转速为600 r/min、进给量为0.02 mm/r、振幅为150 μm。     

振幅对低频振动钻削CFRP/钛合金叠层材料的影响

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)和钛合金组成的叠层材料因其出色的性能被广泛应用在航空航天领域。但两种材料的加工性能差异较大,在叠层材料一体化制孔过程中,CFRP制孔表面极易受到钛合金切屑排出的影响,出现入口撕裂、孔壁划伤等缺陷。为提高叠层材料制孔质量,通过低频振动钻削与传统钻削的对比试验,研究了刀具不同振幅(A=0μm、20μm、40μm、60μm)参数对切削力、切削温度及制孔质量等的影响。结果发现:钻削平均轴向力随着振幅增大而减小,而最大钻削轴向力增大。低频振动钻削较传统钻削加工温度有所下降。振动钻削对分层缺陷没有改善,且有增大缺陷的趋势,但对CFRP孔壁质量有明显改善。     

CFRP-TC4叠层板的钻削实验

采用硬质合金麻花钻对CFRP-TC4叠层板进行钻削试验,分析了钛合金层加工参数对钻削力、钻削温度和加工孔质量的影响。结果表明:随着转速的增加,钛合金层的轴向力逐渐减小;随着钛合金层进给量的增加,钛合金层与CFRP层的轴向力之比逐渐增加。运用指数公式模型对钛合金层轴向力实验结果进行回归分析,得到轴向力与转速以及进给量之间的关系式:F_z=2 088n~(-0.1222)·f_r~(0.2016),并对该方程进行了检验验证,误差均小于10%;在钛合金层进给量不变时,随着钛合金层转速的增加,CFRP的最大烧伤环直径和层间最高温度逐渐增加。     

CFRP/Al制孔分层临界轴向力研究

针对CFRP/Al在钻削加工中容易产生分层缺陷,而临界轴向力是表征叠层材料制孔损伤的基本参数,本文基于能量法建立了钻削Al/CFRP、CFRP/Al产生分层损伤的临界轴向力模型,并利用Abaqus软件对CFRP/Al钻削过程进行了数值模拟,得到了轴向力变化曲线。     

冷却润滑方式对CFRP/钛合金叠层制孔刀具磨损的影响

碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer, CFRP）和钛合金组成的叠层结构由于其优良的机械性能在航空航天领域得到了广泛的应用。为了延长刀具寿命,本文在CFRP/钛合金叠层低频振动钻削试验中采用中心吹气、微量润滑技术（Minimum quantity lubrication,MQL）、水基冷却液和液氮冷却方法,研究冷却润滑方式对钻削温度、轴向力与刀具磨损的影响。试验结果表明,使用中心吹气时加工温度最高,使用液氮时加工温度最低,液氮冷却时轴向力最大,而使用水基冷却液时轴向力最小。水基冷却液对延长刀具寿命的效果最好,达到了66个孔,而液氮冷却时最差,只有12个孔。刀具主要的磨损形式为粘结磨损和磨粒磨损。     

麻花钻钻削碳纤维复合材料/铝合金叠层材料的轴向力研究

工艺参数和刀具参数对碳纤维复合材料/铝合金叠层材料的钻削轴向力及制孔质量具有重要的影响.使用普通硬质合金麻花钻对该叠层材料进行钻削试验,分析主轴转速、进给量、麻花钻顶角和螺旋角对钻削轴向力的影响规律,并对试验结果进行回归分析和方差分析,得到了关于工艺参数和刀具参数的初步优化结论.     

双锋角钻头钻削碳纤维增强树脂基复合材料研究

采用双锋角钻头和普通麻花钻对T700碳纤维复合材料(CFRP)进行钻削试验,从钻削轴向力、制孔出口质量和表面粗糙度等方面分析双锋角钻头在不同加工参数下制孔特点,并与普通麻花钻进行对比。试验结果表明:与普通麻花钻对比,双锋角钻头钻削CFRP时钻削轴向力减小约20%,制孔出口质量更好,孔壁的表面粗糙度值减小,体现优异的切削性能更适合CFRP的制孔加工。     

机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层材料的钻削力实验研究

针对机器人钻削(RCD)CFRP/铝合金叠层材料中钻削力过大引起柔性机器人姿态变形、影响制孔精度与质量的问题,提出了一种机器人旋转超声钻削方法(RRUD),实现钻削力的减小。实验结果显示:加入旋转超声后机器人钻削力显著减小,麻花钻与机器人旋转超声加工系统的匹配性优于三尖钻。采用小进给、高转速的工艺参数可以进一步减小机器人钻削力。为机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层材料的钻削力优化提供了参考与依据。     

TC4钛合金钻削加工工艺参数研究

针对典型TC4钛合金材料进行了钻孔试验,分析了切削钻头材质、钻头锋角对钻孔质量的影响,并采用正交试验对钻削加工工艺参数进行选择,结果表明采用适当的钻头材质及相关工艺参数可降低钻削孔径毛刺,提高制孔质量。     

TC4钛合金深孔钻削试验研究与机理分析

TC4钛合金深孔钻削过程中钻削温度高、排屑路径长,加剧刀具磨损,影响深孔加工质量和精度。为制定可用于实际生产的钛合金深孔钻削加工参数,开展TC4钛合金深孔枪钻加工试验。试验结果表明,钻削温度受钻削速度影响较大,进给量的影响不显著;孔径和圆度随着钻削速度的增加而增大,同轴度随着切削速度增加而先增大后减小;孔的表面粗糙度随着钻削参数的增加而增大,且大参数下深孔表面质量进一步恶化;各组试验加工硬化层在30μm左右,且随着钻削速度增加,切屑挤压变形严重。综合分析后制定的干切削条件下TC4钛合金深孔枪钻的钻削速度为20m/min,进给量为0.08mm/r。     

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。     

4J29可伐合金超声振动辅助钻削试验研究

4J29可伐合金由于具有和奥氏体不锈钢相近的难切削特点,传统钻削制孔质量较差,为了研究4J29可伐合金制孔质量的影响因素,提高制孔质量,对4J29合金进行了不同加工参数下的普通钻削和超声振动辅助钻削试验并对钻削轴向力、孔径误差、孔壁粗糙度进行了测量。试验发现:4J29可伐合金在不同加工参数下(切削速度v=0.314～0.942m/s,进给速度f=10～30mm/min),超声振动辅助钻削可降低钻削轴向力,轴向力平均降低35.37N,降幅为18.45%;超声振动辅助钻削可提高制孔精度,孔径误差平均减小17.9μm,降幅为31.5%;超声振动辅助钻削可提高表面质量,对于轮廓算术平均偏差Ra,超声振动辅助钻削使其平均降低了0.4862μm,降幅为28.4%,微观不平度十点高度Rz平均降低了2.4940μm,降幅为20.0%。试验表明超声振动钻削4J29可伐合金比传统钻削加工更具优势,可获得质量更高的加工孔。     

机器人自动制孔系统钻削工艺参数优化

以铝铝、钛钛和钛铝3种典型叠层构件为研究对象,利用专用试切台和钻孔质量检测仪,研究了机器人自动制孔系统钻削工艺参数。研究表明,铝铝和钛钛叠层构件机器人自动制孔系统可采用一次连续制孔方式实现高精度钻孔,对于铝铝叠层制孔系统采用主轴转速为4000r/min和进给速度为1200mm/min的参数较为合适。钛钛叠层制孔系统采用主轴转速为800r/min和进给速度30mm/min的参数较为合适。钛铝叠层构件自动钻孔时,当叠层厚度大于10mm时,制孔系统采用多次变主轴转速方式钻孔较好,且跟据各层材料选用工艺参数;当厚度小于10mm时,制孔系统采用一次连续方式钻孔,且以钛合金工艺参数进行钻孔。     

碳纤维复合材料/钛合金叠层钻孔工艺优化

在不同的工艺参数下用硬质合金麻花钻分别对碳纤维复合材料板和碳纤维复合材料板/钛合金叠层板进行钻孔,对钻孔过程用Abaqus有限元软件进行三维仿真,对比仿真和试验结果的轴向力和制孔效果。结果表明,在保证制孔的质量的前提下,选取合理的工艺参数,得到叠层材料制孔的工艺参数的优化结论。     

CFRP/Ti叠层钻削力热行为与切屑成形分析

碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种以环氧树脂作为基体材料、碳纤维作为增强材料的复合材料,具有高强度、高比强度以及耐腐蚀性的特点。CFRP与钛合金是航空航天领域广泛使用的两种轻质的材料,经常作为叠层结构出现在大型客机的关键部位,使大型客机制造装配过程中需要对CFRP/Ti叠层进行大量的制孔。而CFRP/Ti叠层钻削过程中的力热变化与切屑形态会直接影响刀具的切削状态。在此基础之上,对CFRP/Ti叠层钻削过程中的力热行为与切屑成形进行研究,这对于CFRP-Ti叠层实际钻削过程具有重要的指导意义。     

C/E 复合材料“以磨代钻冶制孔工艺

为了提高C/E复合材料构件制孔加工质量,以C/E复合材料为研究对象,提出"以磨代钻"制孔新工艺,并研制了电镀金刚石刀具.与传统硬质合金刀具钻孔工艺进行对比试验,结果表明:金刚石刀具钻削轴向力降低30%-50%、刀具耐用度提高3-5倍、缺陷显著减少,更适合C/E复合材料钻孔加工.