基于材料去除特性的CFRP/钛合金叠层结构低频振动辅助制孔基础研究

In order to improve the flight performance, structural reliability and to reduce fuel consumption of various aircraft such as aircraft, space probes, and missiles, applications of the CFRP / titanium alloy stacks in the aerospace industry are rapidly increasing. However, in the drilling of CFRP / titanium alloy stacks, there exists many quality problem such as CFRP hole wall damage, CFRP entry delamination and spalling, CFRP / titanium alloy interface damage, and tools short life expectancy. The object of the project is to improve processing quality and tool life by low-frequency vibration assisted drilling (LFVAD) CFRP / titanium alloy stacks based on material removal characteristics, developing drilling geometry and optimizing processing parameters of LFVAD. The main contents of the project include the effect of vibration form on removal of CFRP and titanium alloy, the LFVAD mechanism, the design and manufacture of LFVAD drill, tool wear mechanism and processing parameters of LFVAD. It has important theoretical significance and practical application value to improve the processing quality of CFRP / titanium alloy stacks and prolong the tool life. Meanwhile, the research plays an important role in perfecting theoretical system of LFVAD CFRP / titanium alloy stacks.

为提高飞机、空间探测器、和导弹等飞行器的飞行性能和结构可靠性，减小燃油损耗，CFRP/钛合金叠层结构在航空航天领域的应用正在迅速增加。面对CFRP/钛合金叠层结构制孔过程中易出现CFRP孔壁损伤、CFRP入口表面分层与撕裂、CFRP/钛合金界面损伤等加工缺陷与刀具寿命短的难题，本项目提出开展基于材料去除特性的低频振动辅助制孔方法，通过改变钛合金切屑形状与控制低频振动辅助制孔的轴向力，有望解决CFRP/钛合金叠层结构的加工难题。研究内容包括：振动形式对CFRP、钛合金材料去除的作用机制、叠层结构低频振动辅助制孔机理、低频振动辅助制孔刀具研制与刀具磨损机理研究与低频振动辅助制孔工艺研究。对于提高CFRP/钛合金叠层结构的加工质量与延长刀具寿命具有重要的理论意义和实际应用价值。同时该研究对完善CFRP/钛合金叠层结构低频振动辅助加工基础理论，促进多学科的交叉融合，起到重要的支撑和推动作用。

碳纤维增强树脂基复合材料（ CFRP）与钛合金（TC4）构成的叠层结构由于其优异的组合性能，被广泛应用于国内外飞机的结构中。由于具有改善切屑排出、降低温度与刀具磨损、提高制孔质量的优点，低频振动制孔工艺已逐渐应用于CFRP/TC4叠层结构制孔中。受现有低频振动装备限制以及低频振动加工机理分析的不足，CFRP/TC4叠层结构制孔时常采用单一加工参数与单一振动形式（TC4的加工参数）进行加工。由于CFRP与TC4材料特性的巨大差异，单一参数加工叠层结构装配孔时不能分别以最优参数加工CFRP与TC4，刀具的钻削性能难以充分发挥。有鉴于此，本项目在研制可变振形低频振动制孔专用装备的基础上根据材料特性的变参数加工可有效降低刀具磨损与提高制孔质量。因此，首先研制机器人低频振动制孔专用装备，开展了基于材料去除特性的CFRP/钛合金叠层结构低频振动辅助制孔基础研究，实现了CFRP/钛合金叠层结构低损伤高效制孔，延长了刀具寿命。主要研究内容如下：.（1）研制了可变振形的机器人低频振动制孔专用装备，实现了CFRP/TC4包含低频振动振形的变参数加工。在设备基础上，开展不同振形下的刀具刃口的运动学分析。通过控制材料去除过程的占空比与切削厚度，结合试验验证与模糊综合评价方法，获得适合CFRP与钛合金的优化低频振动专用振形，显著改善了单层材料制孔质量并降低了磨损。.（2）基于运动学分析建立了低频振动工艺下刀具-材料接触模型，包括耕犁力模型与接触路径模型；同时，对采集的轴向力信号开展时频域分析，建立了瞬时轴向力模型。基于CFRP/TC4叠层结构在低频振动制孔工艺下随波动轴向力而动态变形的特点，建立了瞬时动态力-变形解析模型，揭示了叠层结构参数与振动载荷对动态变形的影响规律，为抑制动态变形以及变形导致的叠层界面损伤提供了理论指导。.（3）通过DEFORM仿真工具，建立低频振动钻削模型，揭示了刀具结构与钻头角度对振动制孔效果的影响规律，确定了能够显著抑制加工温度与载荷的刀具结构。并且通过低频振动钻削试验，分析了钻头不同位置的磨损机理，为刀具优化奠定了理论基础。.（4）除了振形与刀具结构外，进一步开展振动参数、制孔参数、刀具材料、冷却条件4个方面的工艺优化研究，在优化的实验条件下，制孔精度与质量达到指标要求，制孔寿命提高1倍以上，实现了CFRP/TC4叠层结构的低损伤高寿命制孔。