大型复杂构件机器人制孔技术研究进展

航空装备大型复杂构件制造和装配中需要钻削数十万个机械连接孔,因而制孔效率和加工质量是保证飞行器使用性能和可靠性的关键。机器人制孔具有高柔性、高质量一致性以及高法向精度等优势,近年来采用机器人对飞机部件进行制孔在航空制造企业备受青睐。然而由于工业机器人的弱刚性以及叠层结构材料的难加工性,机器人钻削系统容易产生加工不稳定现象,严重制约了钻削质量和效率的进一步提高。目前,国内外学者在机器人制孔装备、制孔系统精度控制与机器人制孔稳定性等方面开展了理论与实验研究,并取得了诸多成果,但机器人钻削稳定性和加工质量控制研究的深度和广度仍存在较大的提升空间。为此,从机器人制孔末端执行器设计技术、机器人制孔定位精度控制技术、机器人制孔工艺过程控制技术以及机器人制孔装备研制四个方面对国内外文献进行总结和凝练,旨在为大型复杂构件机器人制孔技术的进一步研究提供指导。     

C/SiC复合材料螺旋铣削与钻削制孔效果对比

采用PCD刀具对C/SiC复合材料螺旋铣削与钻削制孔的制孔效果进行了对比研究。在同等加工效率条件下测量了两种制孔方法产生的切削力及切削热,并观察制孔质量。试验结果表明:螺旋铣孔产生的轴向力小于钻孔,约为钻孔的56.9%;孔壁粗糙度及孔径差均小于钻削;钻孔产生的切削热少于螺旋铣削制孔,约占螺旋铣的58.7%,但螺旋铣产生的切削热对材料及刀具的影响小。     

无人机碳环氧复合材料高质量无损伤制孔工艺研究

碳纤维复合材料制孔时易产生各种加工缺陷,影响制孔质量。本文对碳纤维复合材料的制孔缺陷原理进行研究,并设计相关对比工艺试验,,对制孔工艺中钻头工作参数、钻削参数等提出了较优建议。     

碳纤维增强复合材料新钻型钻削制孔试验研究

碳纤维增强复合材料制孔中极易产生毛刺、分层等制孔缺陷,本文以硬质合金材料和PCD材料设计制造了两种结构类似的新钻型,对比分析了其制孔缺陷形成过程以及在不同工艺参数条件下轴向力和制孔缺陷的变化规律。结果表明:从两种钻型的轴向力时变曲线能明显区分钻削的8个阶段,其中扩削刃的扩孔阶段和第二扩削刃单独参与钻削阶段的轴向力最低,两种钻型的第二扩削刃Ⅳ对制孔缺陷的显著减小有着极为关键的作用;直线刃新钻型的制孔效果要优于圆弧型的,但随着主轴转速和进给速度的增大,其抑制毛刺缺陷的能力将降低;与硬质合金新钻型相比, PCD新钻型在抑制制孔缺陷方面具有绝对优势。     

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.     

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。     

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。     

碳纤维增强复合材料新钻型结构设计及其对比试验

在碳纤维增强复合材料(CFRP)制孔过程中,易产生毛刺、分层等制孔缺陷,而钻头结构是影响制孔缺陷形成的关键因素。对此,在原有钻型基础上设计了两种新钻型,研究了原有钻型和两种新设计钻型的钻削轴向力和制孔效果。结果表明,在相同钻削工艺参数下,原有钻型"V型"刃的修除阶段的轴向力归零速度最大,新设计的燕尾开槽钻型的最小,这与制孔缺陷的变化规律基本一致,轴向力归零速度与制孔缺陷具有较好的映射关系;3种钻型均能有效减少毛刺,与原有钻型相比,新设计的两种钻型均能更好的去除毛刺和降低制孔缺陷;原有钻型的制孔缺陷以撕裂为主,新设计的开槽新钻型和燕尾开槽新钻型则以分层缺陷为主。据此可为CFRP制孔的刀具结构设计提供新的设计思路。     

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。     

叠层材料低频振动制孔工艺参数优化实验研究

CFRP/Ti叠层结构在一体化制孔的过程中易出现复合材料分层、撕裂、灼伤和孔出口毛刺等制孔缺陷。本文基于低频振动辅助钻削技术，进行工艺实验，经过二次优化后得到最优加工参数。实验结果表明，在转速400 r/min、进给量12 mm/min、振幅75 μm与转速500 r/min、进给量21 mm/min、振幅75 μm两组加工参数下的制孔质量较好，使用较高转速和较大进给量能够提高加工效率。     

Electrochemical drilling of small holes by regulating in real-time the electrolyte flowrate in multiple channels

Electrochemical drilling(ECD) provides an alternative technique for drilling multiple small holes in difficult-to-machine materials in numerous industrial applications such as for aeroengines. The value and fluctuation of electrolyte flowrate can seriously affect the machining stability and hole quality in ECD. In particular, when drilling multiple holes, the distribution and fluctuations of the electrolyte flowrate in each channel could influence the uniformity of the electrolyte flowrate among...     

群孔管电极电解加工均流设计及其试验研究

 为提高群孔电解加工的稳定性和成形精度,对群孔管电极电解加工(ECD)的分流腔流场进行了建模分析。通过对分流腔进行数值求解,研究了分流腔电解液的分布规律,并分析得到了影响电解液分流均匀度的主?问?分流腔直径),进而对其进行了优化设计。基于该优化设计并结合试验得到了适合正流群孔电解加工的分流均匀度系数和相应的尺寸系数。采用优化的分流腔参数和加工参数进行试验,得到了尺寸精度较好的长排孔结构,孔间距5 mm,孔径为(1.03±0.03)mm,其加工过程稳定,无短路现象。通过优化分流腔结构可以提高其分流均匀度,从而使电解孔加工的稳定性显著增加,加工精度提高。     

高温耐热合金 GH169 的深小孔钻削加工性

研究了高速钢麻花钻头、硬质合金钻头和电沉积ＣＢＮ高速钢钻头钻削高温耐热合金ＧＨ１６９,其横刃部分采用“Ｓ”型的修磨结构时钻削深小孔的性能,并优化了钻头横刃的修磨等几何参数和切削参数。实验表明：采用硬质合金钻头或电沉积ＣＢＮ钻头钻削高温耐热合金ＧＨ１６９是切实可行的。而且改善了加工条件,提高了加工质量和生产效率。     

一种提高表面完整性的气膜孔成形方法

为了解决目前航空发动机涡轮叶片气膜孔成形工艺存在热影响严重等问题,提出了采用超快激光环切与螺旋扫描的加工方法,设计了一种可实现高效、无热效应气膜孔加工的双激光光源微加工系统,并从作用机理和实际加工过程两方面分析了热效应的产生原因,指出了其中的主要影响因素,然后针对这些因素选用DD6材料进行了工艺参数优化和实验验证.实验结果表明:采用500fs激光与微秒长脉冲激光复合加工的方式可以使精细钻孔的效率提升约10倍,并得到基本无重铸层和微裂纹的涡轮叶片气膜孔;其工艺参数包括扫描速度为2400r/min,重叠率为12%,进给量为5μm,重复频率为20kHz以及0.6Pa同轴吹气.表明超快激光配合合理的工艺参数和加工方式可以实现无热效应气膜孔加工,是一种有效提高气膜孔成形表面完整性的工艺方法.      

C/SiC复合材料超声振动钻孔评估

在分析碳纤维增强碳化硅复合材料的力学性能、密度、孔隙率和弯曲强度的基础上 ,进行了超声钻孔工艺试验 ,检测并研究了材料去除率、孔径差、孔边质量和工具损耗情况 ,得出了超声钻孔是一种好的加工方法的结论。     

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。     

钛合金零件钻削过程仿真与试验研究

钛合金被广泛用于航空工业中,譬如民用飞机吊挂滑轨等典型结构的制造。钛合金作为难加工材料,通常使用钻削的方法进行加工,不同的钻削参数对应不同的钻削温度和钻削力,而钻削温度和钻削力对加工精度影响较大。为使加工参数和加工精度得到很好地匹配,借助Deform 3D有限元仿真软件建立了钛合金热应力耦合有限元模型,通过软件仿真研究钛合金滑轨在加工过程中的钻削力以及钻削温度。首先,对钻头和钛合金试件进行网格划分。其次,建立材料本构模型和切屑分离标准,使用仿真软件得到加工过程的钻削力和钻削温度。最后,采用试验方法获取钻削温度和钻削力,与仿真结果进行对比。结果表明:仿真结果与试验较为吻合,仿真能输出有效的钻削力和钻削温度。     

冰层辅助对电火花-电解复合穿孔的影响

电火花-电解复合穿孔(ECDD)加工方法有望实现难加工材料涡轮叶片气膜冷却孔无重铸层高效加工,为了进一步提升小孔孔壁的加工质量,提出了在工件底部填充冰层的电火花-电解复合穿孔加工新方法。分析了冰层辅助对复合加工过程中两极之间电流电压的波形、复合穿孔的加工效率、小孔的出入口孔径、孔壁重铸层去除等的影响,进行了冰层辅助与无冰层辅助电火花-电解复合穿孔对比试验。试验表明:冰层辅助加工可以在小孔穿透之后形成充分的反向冲液,有效地解决小孔穿透之后的漏液问题。在增加底部停顿时间的基础上,即小孔穿透后管电极到达预设深度继续停留一段时间,延长管电极对孔壁的电解作用时间,可以显著提高重铸层的去除效果,有望实现小孔整个孔壁重铸层的完全去除。     

Effect of tube-electrode inner diameter on electrochemical discharge machining of nickel-based superalloy

Nickel-based superalloys are widely employed in modern aircraft engines because of their excellent material characteristics, particularly in the fabrication of film cooling holes. How-ever, the high machining requirement of a large number of film cooling holes can be extremely chal-lenging. The hybrid machining technique of tube electrode high-speed electrochemical discharge drilling (TEHECDD) has been considered as a promising method for the production of film cooling holes. Compared with any single machining process, this hybrid technique requires the removal of more complex machining by-products, including debris produced in the electrical discharge machin-ing process and hydroxide and bubbles generated in the electrochemical machining process. These by-products significantly affect the machining efficiency and surface quality of the machined prod-ucts. In this study, tube electrodes in different inner diameters are designed and fabricated, and the effects of inner diameter on the machining efficiency and surface quality of TEHECDD are inves-tigated. The results show that larger inner diameters could effectively improve the flushing condi-tion and facilitate the removal of machining by-products. Therefore, higher material removal efficiency, surface quality, and electrode wear rate could be achieved by increasing the inner diam-eter of the tube electrode.     

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。