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.     

CFRP复合材料超声振动套孔分层抑制机理分析

针对碳纤维增强复合材料在传统钻孔过程易出现分层缺陷,采用金刚石空心套刀和超声振动加工技术进行了CFRP超声振动套孔分层抑制机理分析。理论分析了传统麻花钻钻孔与金刚石套刀普通套孔过程的分层机理及评价,超声振动套孔对分层抑制的机理,并且进行了实验验证。结果表明:相比于CFRP普通套孔,超声振动套孔能够有效提高套刀切削性能和排屑效果,降低钻削力12.5%～19.2%,抑制切屑粉尘黏附套刀和料芯堵塞套刀,抑制CFRP分层缺陷形成,改善孔表面质量。     

树脂基复合材料孔隙率超声表征技术研究

利用超声衰减的原理,运用超声C-扫描成像技术超声表征评定树脂基复合材料的孔隙大小,进而评定材料的力学性能情况,结合解剖试验建立了树脂基复合材料超声衰减、孔隙率和力学性能的关系曲线,探索了一种超声表征评定树脂基复合材料的孔隙情况及力学性能的方法.     

碳纤维增强复合材料与钛合金钻孔技术研究进展

随着中国提出“中国制造2025”发展战略,以及数字化自动装配技术的广泛应用,对于钛合金、碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)的钻孔加工提出更高的要求.从钛合金、碳纤维增强复合材料的钻孔切削加工特性出发,对传统钻孔加工中,在孔加工质量、钻孔刀具两方面近些年来一些研究成果进行总结,简述了碳纤维增强复合材料、钛合金的钻孔技术研究状况,并指出未来研究的重点与关注点,将对这两种材料实际钻孔加工具有指导借鉴意义,提高航空产品制造及装配效率.     

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.     

先进无损检测技术在复合材料缺陷检测中的应用

针对飞机复合材料构件全生命周期无损检测问题,介绍喷水超声C扫描技术、相控阵超声技术、空气耦合超声技术、激光超声技术和红外热成像技术在复合材料检测中的最新应用.研制大型喷水超声C扫描系统和新型超声、红外检测系统并开展试验研究,采用喷水超声方法,实现了蜂窝夹芯复合材料构件的C扫描检测;采用相控阵超声检测方法,实现了碳纤维复合材料R角检测;采用空气耦合超声方法,实现了蜂窝夹芯复合材料检测和PMMA板的导波检测;采用激光超声方法,实现了碳纤维复合材料分层检测;采用红外热成像方法,实现了蜂窝夹芯复合材料结构检测.研究表明,提出的超声、红外检测技术可以用于飞机复合材料构件全生命周期的大型结构检测、复杂结构检测、非接触检测、高精度检测和外场快速检测.     

钻孔与冲击对碳/环氧复合材料电阻影响的计算模型

分别对碳/环氧复合材料进行钻孔和冲击,并测量了钻孔或冲击前后复合材料的电阻,分析了材料电阻变化的机理,建立了复合材料电阻变化计算模型。结果表明,钻孔与冲击都会使复合材料中碳纤维之间接触点(电流截面积)及电荷传导路线发生变化,从而引起复合材料电阻变化。由钻孔对复合材料电阻影响的计算模型推导的冲击计算模型,能够极大地简化有关冲击对复合材料的影响的计算。根据本文所建立的计算模型可以计算出钻孔与冲击引起的复合材料电阻变化率,且与实验测量值相吻合。     

凯芙拉复合材料的加工及刀具研制

本文介绍了凯芙拉复合材料的加工特点,分析了影响钻孔、锪窝、切割质量的因素,并研制了相应的刀具,通过试验找出了合适的加工参数,凯芙拉复合材料的加工质量得到了保证.     

镁基碳纤维增强复合材料超声辅助切削试验研究

为研究镁基碳纤维增强复合材料(C_f/Mg)的切削力与已加工表面质量,开展了硬质合金铣刀与硬质合金钻头超声辅助切削试验研究。通过正交试验得到,超声辅助铣削C_f/Mg复合材料时铣削力随每齿进给量及铣削深度的增加而明显增大,随主轴转速的增加而减小;试验中,在超声辅助铣削时每齿进给量0.025mm、铣削深度0.2mm、转速6000r/min加工参数下铣削力最小,每齿进给量0.025mm、铣削深度0.2mm、转速4000r/min加工参数下表面质量较好;采用硬质合金钻头进行单因素钻削试验时,轴向钻削力随主轴转速的升高而减小;与传统钻削相比,超声辅助钻削能减小轴向钻削力,在机床转速6000r/min、机床进给速度100mm/min加工参数下超声辅助钻削相比传统钻削可减小约36%的轴向钻削力;超声辅助钻削相比传统钻削能改善钻孔出口的毛刺、分层等缺陷。     

复合材料孔隙率超声衰减法检测技术研究进展及应用

介绍了近年来复合材料孔隙率超声检测研究现状和国内外采用超声衰减法测量孔隙率的理论模型、检测结果,并对各种模型进行对比和分析;论述了国内外各航空制造商的孔隙率超声衰减法检测的工程检测方法,对复合材料孔隙率超声衰减法检测技术的发展及应用提出了研究方向.     

八面钻超声振动钻削钛合金出口毛刺形成机理

钛合金在传统麻花钻常规钻孔后,会产生较大的孔出口毛刺,这将导致孔出口去毛刺困难且影响紧固件装配质量。本文引入一种八面钻新刃型刀具,并利用超声振动钻削技术,进行了八面钻超声振动钻削钛合金出口毛刺形成的基础理论和试验研究。理论分析了普通钻削和超声振动钻削的出口毛刺形成过程以及超声振动钻削的出口毛刺降低机理,同时试验验证了超声振动钻削的出口毛刺降低效果。结果表明:相比于钛合金普通钻削,超声振动钻削极大地提高了钻头刀具的切削能力,分别降低了钻削力16%~20%、切削温度18%~21%和出口毛刺高度82%~89%,有效降低了装配过程的去毛刺困难和生产成本。     

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...     

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。     

超声钻削加工工具更换问题的探讨

介绍了适用超声钻削加工的半波长振动系统结构、针对该振动系统,给出了工具更换后变幅杆与工具之间进行阻抗匹配的方法,依据各部分的边界条件,按一维问题,导出了加工中工具更换后的阻抗匹配数学模型,在超声钻削加工应用中具有一定的实用价值     

纵-扭复合超声钻削TC4钛合金振动系统设计与试验

螺旋沟槽变幅杆能够实现超声振动模式的转换，对单激励纵-扭复合振动的实现具有结构简单和操作可行的优点。基于弹性波场论对超声波在复合变幅杆中发生模式转换的原因及振动特性进行分析，并从超声波的入射角入手，分析入射角对振动模态的影响。在圆锥复合变幅杆的圆锥段开设螺旋沟槽，建立三维模型，并进行有限元仿真和试验验证，结果表明超声波入射角的改变对纵-扭复合变幅杆的扭-纵比影响显著。当入射角为46.5°和67.2°时，在变幅杆的输出端纵振模态和扭振模态发生明显的变化，实测的扭-纵比前者较后者提高约5.1倍。通过普通钻削与超声钻削实验对比，在不同的入射角条件下，超声钻削的平均钻削力均低于普通钻削力。与入射角为67.2°时对比，当入射角为46.5°时，平均钻削力降低约46%，并提高了制孔的质量，从而为模态转换的纵-扭复合变幅杆设计提供一定的理论依据。     

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。     

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.     

Influence of longitudinal-torsional ultrasonic-assisted vibration on micro-hole drilling Ti-6Al-4V

As Ti-6Al-4V is a typical hard to machine material, especially in micro drilling aviation parts, chip breaking difficulty is of increasing interest to explore its further development. In this study, Longitudinal-Torsional Ultrasonic Assisted Drilling (LTUAD) was employed to machine Ti-6Al-4V, and its feasibility was evaluated by comparing with Conventional Drilling (CD). By combining periodical characteristics and vibration models (the separated or the unseparated ultrasonic elliptical vibration), the influence of ultrasonic frequency on the intersection characteristics of trajectories were analyzed. And the intersection characteristics were divided into four categories: even periodicity, odd periodicity, non-odd and even periodicity and composite periodicity, indicating different capability for chip breaking. By applying the longitudinal-torsional compound vibration horn, the micro-hole drilling experiment was carried out on machining center. The chip morphology, the thrust force, and the burr height were discussed. Experimental results showed that the morphology of chips presented as smaller and more fragmentary ones in LTUAD compared with continuous helical conical ones and fold-shaped ones in CD. Compared with CD, the average values of the thrust force in LTUAD reduced by 1.98% to 24.9%. According to the burr around the hole exit in both LTUAD and CD, the height of the latter was greatly affected by the drilling parameters. And the burr around the exit of the hole were distributed rather evenly with smaller extension in LTUAD. Consequently, the LTUAD employed in micro-hole drilling was effective.     

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。