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/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/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。     

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。     

碳纤维复合材料制孔新工艺及实验研究

针对碳纤维复合材料(CFRP)传统钻削加工容易出现孔口缺陷的问题,本文首先从理论上分析了缺陷产生的机理。在此基础上提出了"以磨代钻、钻磨结合"的CFRP制孔加工新工艺,从加工机理上避免了孔口缺陷的产生。并研制出新型的大孔用电镀CBN钻磨复合刀具和小孔专用砂轮,进行了具体钻磨复合制孔实验。结果表明,此工艺CFRP高精度和高质量的孔加工提供了一条行之有效的加工方法。     

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。     

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。     

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。     

基于声发射的碳纤维复合材料孔出口分层损伤识别

针对CFRP钻削制孔加工过程中的孔出口分层缺陷监测问题，本文基于声发射检测技术开展了CFRP钻削孔出口分层损伤识别研究。通过破坏性分层试验提取与分层损伤相关的声发射及轴向力信号的时、频特征，以此作为判断钻削分层损伤的信号依据，并开展钻削试验，结合实际损伤形貌对CFRP层合板的孔出口分层损伤进行识别。研究表明：当产生钻削出口分层损伤时，瞬时钻削轴向力会高于临界轴向力；声发射信号的时域幅值将出现突变，频域信号的中、高频段信号强度也会有明显增加。通过显著的信号时、频特征可对钻削孔出口分层损伤进行有效识别，为实现在线监测、控制CFRP层合板钻削分层损伤的研究提供了思路。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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150μm。     

PTFE/CFRP/铝合金叠层材料钻削试验研究

对PTFE/CFRP/铝合金叠层材料进行了钻削试验研究。结果表明:最高钻削温度随主轴转速的增大而增大,但随进给量的增大反而下降;相同钻削参数下,从铝合金侧钻入能获得更低的钻削温度;采用较大的进给量有利于铝合金形成碎屑状切屑,避免带状切屑排出时划伤已加工CFRP表面;采用较低主轴转速和较大的进给量可获得更好的铝合金孔出口质量。     

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。     

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。     

树脂基纤维复合材料钻削研究进展

主要介绍了树脂基纤维复合材料钻削过程中的钻削力、钻削温度、加工表面质量等钻削性能及材料去除机理、缺陷形成机理、刀具磨损机理等钻削机理方面的研究现状;阐述了树脂基纤维复合材料钻削工艺及钻头改进方面的最新研究进展,并对树脂基纤维复合材料钻削加工技术的下一步研究重点进行了展望。     

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。