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。     

钛合金螺旋铣孔的切削力和切削温度试验研究

螺旋铣孔技术是航空装备制造领域新出现的制孔技术,因具有加工质量好、效率高等优点被用于加工钛合金、复合材料等难加工材料.采用包括切削速度、切向每齿进给量、轴向每齿进给量和螺旋导程4个基本加工参数描述螺旋铣孔过程,分析了基本参数和螺旋铣孔输入加工参数(自转、公转、进给)之间的关系.在自行研制的螺旋铣孔试验平台上开展了钛合金材料的加工试验,研究了钛合金螺旋铣孔加工中切削温度及切削力的特征,以及基本加工参数对切削温度和切削力的影响规律.试验结果表明,在螺旋导程一定时,切削温度主要由切削速度决定,而与轴向每齿进给量及切向每齿进给量无明显关系;而切削力的影响规律与切削温度相反.切削温度是影响螺旋铣孔过程中刀具磨损及加工孔质量的主要因素.在需同时保证加工效率及加工质量的前提下,应尽量选择大的切向每齿进给量、大的轴向每齿进给量和较低的切削速度.     

钛合金螺旋铣孔孔径偏差研究

螺旋铣孔是航空航天领域新出现的制孔技术,其切削过程中会产生径向切削力,从而引起刀具变形并造成孔径偏差。针对该问题开展了钛合金螺旋铣孔孔径偏差试验,分析了包括进给方向在内的不同加工参数对孔径偏差的影响规律;基于螺旋铣孔运动学原理对不同进给方向下的材料去除过程和径向切削力方向进行了研究,分析了不同进给方向下的孔径偏差变化规律及形成原因,并设计切削力试验进行了验证;通过分析不同加工参数下的未变形切屑形状及径向切削力变化情况,研究了各加工参数对孔径变化趋势的影响规律。研究结果表明,当进给方向为顺时针时,刀具受背离孔心的径向切削力的作用向孔径外侧发生挠曲变形,导致所加工孔径大于理论孔径;当进给方向为逆时针时则相反。进给速度和导程的增加将加剧孔径偏差,切削速度的增加则会减弱孔径偏差。     

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。     

便携式螺旋轨迹制孔装置的研制

飞机装配存在一些特殊的制孔区域,如翼根、垂尾等部位,这些制孔区域或空间狭窄或有一定高度,通常的自动制孔设备和机器人制孔系统难以发挥自身的优势。对此,研制了一种便携式全电动螺旋轨迹制孔装置,该装置具有结构紧凑、方便携带且可依据程序设定的工艺参数对应叠层材料,可自动改变刀具转速、进给速率等特征,能对航空材料实施螺旋铣孔加工。利用所研制的螺旋轨迹制孔装置对7075–T7351铝合金叠层材料进行制孔验证,制孔精度等均达到了预期,验证了该新型制孔装置及控制方法的合理性。     

CFRP螺旋铣孔加工中的轴向力抑制方法

在碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer,CFRP)螺旋铣孔加工过程中,刀具端刃所产生的轴向力过大会造成制孔出口分层、撕裂、毛刺等缺陷问题。为减小CFRP螺旋铣孔加工中的轴向力,从运动学原理上分析了刀具端齿隙角与未变形切屑的关系,提出了使刀具切削线速度较低的中心区域不参与切削的方法;进一步推导出了使刀具中心不参与切削的条件,并对不同端齿隙角和导程组合下的未变形切屑形状进行了模拟;最后在CFRP上进行了螺旋铣孔试验验证。结果表明,通过增大刀具端齿隙角和减小导程,可以使螺旋铣孔加工中端刃中心区域不参与切削,从而有效减小CFRP螺旋铣孔中的轴向力。     

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。     

飞机装配自动制孔刀具技术研究

碳纤维复合材料与金属材料构成的性能差异的叠层构件在飞机机翼和尾舵中应用广泛,叠层构件装配过程中需要大量的铆接或螺接孔。在这些航空产品装配制孔中,最佳的工艺是在碳纤维复合材料和金属材料叠层构件上同时加工出所需要的铆接或螺接孔,这是确保叠层材料构件产品连接强度、刚度和安全性的主要手段。然而由于碳纤维复合材料层间结构特点和2种材料性能的巨大差异,制孔质量难以保证并且刀具磨损剧烈。特别是随着飞机自动制孔技术的发展,其关键技术之一就是要求在装配过程中采用一道工序同时高效加工碳纤维复合材料和钛合金以及铝合金等完全不同性质的材料。     

碳纤维增强复合材料铣削和钻孔技术研究进展

碳纤维增强复合材料(特别是碳纤维增强树脂基复合材料和碳/碳复合材料)具有比强度和比模量高、耐高温、抗腐蚀等特点,被广泛应用于航空航天等领域.由于碳纤维增强复合材料硬度高、脆性大、层间剪切强度低等特点,使其在加工中容易出现毛刺、分层、撕裂等加工缺陷,并且刀具磨损快、耐用度低.针对碳纤维增强树脂基复合材料和碳/碳复合材料的加工问题,从铣削和钻削两个方面讨论了加工参数、加工刀具、切削力预测以及超声振动钻孔和螺旋铣孔等方面的技术,总结了目前提高碳纤维增强复合材料加工质量的工艺方法.     

大型飞机复杂回转件的车铣复合加工

以起落架为典型代表的航空复杂回转件,结构复杂、精度要求高、材料切削性能差。车铣复合加工技术是解决其高效加工的有效途径。为发挥其最佳性能,应将普通机床和车铣中心搭配使用。工装设计时,应着重考虑如何防止铣削时工件的移位。多任务刀具适合于车铣复合加工。车铣复合定位3+2数控加工具有明显的效率和质量优势。     

碳纤维复合材料孔加工质量试验研究

碳纤维复合材料零件上存在大量的装配工艺孔,采用传统孔加工方式过程中容易导致分层、纤维
撕裂等缺陷. 本文通过钻削和螺旋铣削方式加工碳纤维复合材料(CFRP),对比两种孔加工方法的加工质量,
分析了缺陷存在的原因,发现在碳纤维复合材料上采用螺旋铣削制孔方式是可行的,对碳纤维复合材料孔加工
工艺具有一定的参考价值。     

单向CFRP螺旋铣削力建模

螺旋铣削加工工艺具有降低轴向力,改善排屑、散热条件等优点,螺旋铣削力是其重要过程指标之一。对单向CFRP螺旋铣削力建模方法展开研究,预测给定加工参数下的螺旋铣削力。首先,通过对螺旋铣削过程进行运动学分析和切屑几何分析,建立了螺旋铣削过程中侧刃、底刃动态切屑层模型,纤维切削方向角度模型和动态切削力计算模型。然后,分别通过侧刃直线槽铣实验和底刃半齿插铣实验,对各个切削方向角度下侧刃、底刃切削力系数进行了标定,并利用人工神经网络对切削力系数进行拟合。最后,将标定所得的切削力系数代入动态切削力计算模型中,建立了单向CFRP螺旋铣削过程动态切削力预测模型,并通过实验验证了模型的准确性。与现有模型相比,该模型不仅能够预测刀具螺旋运动周期内的切削力变化情况,还可以对每个刀具自转周期内的细节进行预测,通过考虑纤维切削方向角度对切削力系数的影响,反映了单向CFRP材料的各向异性,较为准确地预测了螺旋铣削力。     

机器人自动换刀系统刀夹受力及排布

机器人制孔系统因其低成本、高效率、高柔性的优势，在飞机壁板装配中得到了广泛应用。机器人自动换刀系统作为飞机壁板机器人制孔系统的重要组成部分，极大地影响着制孔的效率和柔性。本文对机器人自动换刀系统进行分析，着重对刀夹稳定夹持力、换刀过程刀夹阻力和盘式刀库刀夹双环排布进行了深入研究。通过分析刀夹结构和夹紧原理，计算稳定夹持力；通过构建换刀过程中刀具轮廓与刀夹轮廓的几何位置关系，结合受力分析，计算换刀过程刀夹阻力；通过简化刀夹组件轮廓及惯量计算，分别对4种刀夹双环排布方案进行分析研究，以圆形刀盘上的总惯量最小为目标，得到了最优的刀夹排布方式。最后根据实际工程需求，给出了容量为24把刀具的盘式刀库设计实例。     

机器人辅助飞机装配制孔中位姿精度补偿技术

在飞机自动化装配中,机器人制孔技术由于其高度柔性和相对低成本而倍受关注.然而,机器人本身的动、静态误差及制孔过程大量坐标系标定和坐标转换会引起难以补偿的残留误差,为提高机器人制孔的位置和姿态精度,构建一种基于激光跟踪仪闭环反馈的机器人辅助飞机装配制孔系统.本文首先论述应用激光跟踪仪建立系统中关键坐标系的方法,并分析了机...     

Effect of cooling strategies on performance and mechanism of helical milling of CFRP/Ti-6Al-4V stacks

Hole-making for Carbon Fiber Reinforced Plastics(CFRP)/Ti-6Al-4V stacks is crucial for the assembling strength of aircraft structure parts. This work carried out experimental work for helical milling(HM) of the stacks with sustainable cooling/lubrication(dry, MQL and cryogenic)conditions. Cutting forces and temperatures at the CFRP layer, Ti-6Al-4V layer and the interface of stacks were obtained by a developed measuring system. The temperatures in CFRP machining at cryogenic condition varied fro...     

In-process adaptive milling for large-scale assembly interfaces of a vertical tail driven by real-time vibration data

Assembly interfaces, the joint surfaces between the vertical tail and rear fuselage of a large aircraft, are thin-wall components. Their machining quality are seriously restricted by the machining vibration. To address this problem, an in-process adaptive milling method is proposed for the large-scale assembly interface driven by real-time machining vibration data. Within this context, the milling operation is first divided into several process steps, and the machining vibration data in each pro...     

Corner-milling of Thin Walled Cavities on Aeronautical Components

This article presents a mathematical model of helical end-milling forces through experimental identification of the cutting coefficients and analyzes the changes of corner-milling forces under different conditions. In allusion to the corner-milling process, the relationship between working parameters and the corner coordinates is investigated by way of combination of tool tracing and cutting geometrodynamics. The milling parameters are optimized by changing the coordinates of tool center and working parameters without altering cutting forces. By applying the optimized parameters to milling practice, a comparison is made to show the improved product quality. Based on these optimized parameters, a finite element method (FEM) program is used to compute deformation values of a workpiece's corner, which evidences few effects that optimized parameters can exert on the corner deformation.     

Tool Life and Surface Integrity in High-speed Milling of Titanium Alloy TA15 with PCD/PCBN Tools

Titanium alloys are widely used in aeronautics that demand a good combination of high strength, good corrosion resistance and low mass. The mechanical properties lead to challenges in machining operations such as high process temperature as well as rapidly increasing tool wear. The conventional tool materials are not able to maintain their hardness and other mechanical properties at higher cutting temperatures encountered in high speed machining. In this work, the new material tools, which are polycrystalline diamond (PCD) and polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) tools, are used in high-speed milling of Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V (TA15) alloy. The performance and wear mechanism of the tools are investigated. Compared to PCBN tool, PCD tool has a much longer tool life, especially at higher cutting speeds. Analyses based on the SEM and EDX suggest that attrition, adhesion and diffusion are the main wear mechanisms of PCD and PCBN tools in high-speed milling of TA15. Oxidation wear is also observed at PCBN tool/workpiece interface. Roughness, defects, micro-hardness and microstructure of the machined surface are investigated. The recorded surface roughness values with PCD/PCBN tools are bellow 0.3 μm at initial and steady cutting stage. Micro-hardness analysis shows that the machined surface hardening depth with PCD and PCBN tools is small. There is no evidence of sub-surface defects with PCD and PCBN tools. It is concluded that for TA15 alloy, high-speed milling can be carried out with PCD/PCBN tools.