群钻对航空玻璃纤维复合材料制孔适用性机理研究

An aviation manufacturing company found that candle stick drill is suitable for drilling aviation glass fiber composites in the production line. Their engineers were unable to reveal this suitable drilling mechanism and couldn't fully and reasonably use the superior performance of the candle stick drill for drilling the aviation glass fiber composites. Aiming at these aviation glass fiber composite aircraft structures, The mechanical characteristics of drilling (macro drilling force, inherent stress distribution of workpiece and tool) and the vibration characteristics of drilling (vibration characteristics of workpiece, tool, fixture and other key parts of drilling, and their excited vibration response characteristics) will be studied through theoretical analysis, numerical simulation and scientific experiments in this project. The quantitative correlation between the relevant characteristics of drilling mechanical properties, drilling vibration properties and the removal, damage of material, tool wear will be revealed. And then, that the candle stick drill is suitable for drilling aviation glass fiber composite is quantitatively revealed. Based on this, the nonlinear global mapping relations between geometry of candle stick drill, hole size and mechanical characteristics of drilling, vibration characteristics of drilling, between mechanical characteristics of drilling, vibration characteristics of drilling and drilling quality, drilling efficiency, tool life will be revealed. The geometries of candle stick drill for different hole size will be optimized. At last, drilling aviation glass fiber composite with high efficient, high quality and stability will be achieved.

某航空制造企业在生产一线发现群钻适用于航空玻璃纤维复合材料的制孔加工，但工程师们无法揭示其制孔适用性机理，不能充分合理地利用群钻的优越性能来钻削航空玻璃纤维复合材料。本项目针对某航空制造企业的航空玻璃纤维复合材料飞机结构件，采用理论研究、数值仿真和科学实验相结合的方法，通过研究群钻制孔过程中的力学特性（宏观制孔力、工件和刀具应力分布规律）、振动特性（工件、刀具及工装夹具等关键部件的固有振动特性和他激振动响应特性），揭示制孔力学特性、振动特性中相关特征量与材料去除、损伤及刀具磨损之间的定量关联作用机制，进而定量揭示群钻对航空玻璃纤维复合材料制孔适用性机理。在此基础上，构建群钻几何结构、制孔尺寸与制孔力学特性、振动特性之间，制孔力学特性、振动特性与制孔质量、制孔效率和刀具寿命之间的非线性全局映射关系模型，优化不同制孔尺寸下的群钻几何结构，实现航空玻璃纤维复合材料群钻制孔的高效高质量的安定加工。

本项目针对航空玻璃纤维复合材料，采用理论研究、有限元仿真和科学实验相结合的方法，首次通过实验定量地建立起出口钻削力与钻孔损伤的线性关系，首次通过实验定量地建立起高频双谱振动信息与钻孔损伤的线性关系，首次通过引入支撑边距来揭示支撑对钻孔损伤的影响。本项目执行过程中，对国内外相关情况进行了充分调研，尤其深入了解了国外对群钻制孔复合材料的理论解析和实验研究进行了综合分析，结合某航空制造企业群钻钻削玻璃纤维复合材料的刀具设计和工艺，对群钻几何结构、群钻制孔工艺进行了系统研究。本项目执行过程中，搭建了高速加工实验测试平台，采用应变式测力仪和加速度振动传感器实时采集钻孔过程中的力信号和振动信号，并对采集的力信号和振动信号进行多角度、多维度分析，结合制孔出入口形貌的光学显微镜分析和扫描电子显微镜观察，分析制孔出入口损伤机理。本项目群钻制孔航空玻璃纤维复合材料适用性机理研究完全由本人独立完成，所有研究结果具有自主知识产权，研究成果达到了预期指标。通过主持本项目，定量地揭示了制孔力学特性、制孔振动特性与制孔出口损伤之间的关联作用机制，揭示了群钻制孔航空玻璃纤维复合材料的适用性机理，并对群钻制孔航空玻璃纤维复合材料的几何形状进行了优化，填补了航空玻璃纤维复合材料制孔研究的多项空白，为航空玻璃纤维复合材料在航空制造和修理中广泛应用奠定了良好的理论基础和技术支持。另外，本项目的研究成果可以扩展到碳纤维复合材料制孔的刀具设计与工艺研究等众多领域，对提高纤维增强复合材料层合板的制孔质量和制孔效率具有重要的理论意义和工程实用价值。