螺旋铣磨碳纤维复合材料铣磨力仿真及试验研究

本文基于单颗磨粒的运动轨迹方程,采用ABAQUS有限元软件模拟了螺旋铣磨过程,并对孔出入口边缘的应力分布情况和铣磨力的变化规律进行仿真分析。研究了在螺旋铣磨制孔过程中,碳纤维复合材料(CFRP)铣磨力的变化规律和不同工艺参数对铣磨力的影响程度,随后设计螺旋铣磨正交试验,采用极差分析法分析试验结果,并与仿真结果进行对比验证以确定仿真的准确性。研究结果表明:主轴转速与轴向铣磨力呈负相关,并且F_(x)在3 500 r/min时最小,公转转速、螺距与铣磨力呈正相关;公转转速对切向铣磨力的影响程度最大,主轴转速和螺距次之;公转转速对轴向铣磨力的影响程度最大,螺距和主轴转速次之。

切削参数对GFRP螺旋铣孔铣削力的影响研究

为研究切削参数对GFRP(玻璃纤维复合材料)螺旋铣孔铣削力的影响,建立了GFRP螺旋铣孔的仿真模型,选择不同切削参数进行切削仿真。为验证所建立仿真模型的合理准确性,进行GFRP螺旋铣孔正交试验,选择与加工仿真相同的切削参数,通过仿真与试验结果的对比分析,验证了仿真模型的合理性。基于此仿真模型,通过GFRP螺旋铣孔的仿真试验得到切削参数对铣削力的影响规律。研究结果表明:对铣削力的影响程度由大到小依次为轴向进给螺距u、刀具中心的公转速度ω和切削速度v c;随着切削速度增大,铣削力先减小后增大,但变化趋势较小;随着刀具中心的公转速度增大,铣削力逐渐增大;随着轴向进给螺距增大,铣削力逐渐增大。

GFRP材料螺旋铣孔时的制孔质量研究

采用传统钻孔方法对GFRP(玻璃纤维增强材料)进行加工时易产生毛刺、撕裂和分层等缺陷,而螺旋铣孔方法可以有效避免这些缺陷产生。运用螺旋铣孔方法对GFRP进行制孔试验,得到切削速度、刀具公转转速、轴向进给螺距对孔壁表面粗糙度以及孔径尺寸误差的影响规律,对比分析了螺旋铣孔和钻孔的孔口缺陷。试验结果表明:影响孔壁表面粗糙度的切削参数由大至小依次为切削速度>刀具公转转速>轴向进给螺距;切削速度、刀具公转转速、轴向进给螺距与孔壁表面粗糙度均呈正比关系;影响孔径尺寸误差的切削参数依次为刀具公转转速>轴向进给螺距>切削速度;螺旋铣孔的入口侧缺陷较多,钻孔时的孔口缺陷更多出现在出口侧。

钛合金螺旋铣孔过程中硬质合金球头铣刀磨损机理研究

为了深入理解钛合金螺旋铣孔过程中球头铣刀的磨损机理,使用TiAlN涂层硬质合金球头铣刀在干切削条件下对钛合金进行螺旋铣孔加工,分析铣孔过程中材料的去除过程;基于钛合金螺旋铣孔试验结果,利用工具显微镜、电子显微镜和能谱仪检测刀具磨损情况,明确刀具磨损机理,进而探讨轴向切削力、径向切削力、切削温度和刀具磨损之间的关系。结果表明:黏结磨损贯穿刀具磨损全过程,存在扩散磨损和氧化磨损;刀具破损时出现崩刃、涂层剥落等现象;切削力与刀具磨损程度呈正相关关系,磨损对轴向切削力影响较大,对径向切削力影响较小。

碳纤维增强复合材料倾斜螺旋铣孔出口成型及制孔质量分析

为了提高碳纤维增强复合材料(CFRP)制孔出口质量,结合球头铣刀几何形状和倾斜螺旋铣孔加工原理,详细分析了CFRP球头铣刀倾斜螺旋铣孔的运动学特性和CFRP倾斜螺旋铣孔时孔出口的成型过程,着重讨论了刀具切出材料过程、出口切削速度变化及材料变形对孔出口质量的影响。通过开展CFRP球头铣刀倾斜螺旋铣孔实验,分析了球头铣刀倾斜角为0°~5°时孔的出口质量。结果表明,球头铣刀倾斜螺旋铣孔可以明显降低CFRP的出口毛刺和分层情况,实现CFRP低损伤制孔。

基于NSGA-Ⅲ算法的碳纤维复合材料螺旋铣孔切削参数多目标优化

碳纤维增强复合材料(CFRP)力学性能呈各向异性,层间强度低,为改善CFRP钻孔时中出现的缺陷,螺旋铣孔技术逐渐得到应用。为找到合适的切削参数使得CFRP各项加工性能均达到最优,对CFRP螺旋铣孔切削参数多目标优化方法进行研究。通过螺旋铣试验,测得不同切削参数下的切削力和孔径偏差;使用非线性拟合方法分别建立以径向切削力、轴向切削力、孔径偏差、切削效率为优化目标的多目标优化模型;采用第三代非支配遗传算法(NSGA-Ⅲ)进行多目标优化,获得帕累托最优解;基于主成分分析构建最优切削参数决策算法,完成切削参数解集优劣性能排序,获得满足不同加工性能的最优参数组合。结果显示:NSGA-Ⅲ算法与主成分分析方法的结合可使多目标优化取得良好的效果。

飞机壁板柔性装配螺旋铣孔单元的研制

针对现代飞机壁板高效精密制孔的需求,研制了一种新型的螺旋铣孔单元。首先,通过对国内外现有机身自动制孔系统的技术分析,并结合壁板装配制孔的作业特点,引入一种新兴的制孔技术—螺旋铣孔。其次,对螺旋铣孔运动进行功能分解,展开了螺旋铣孔单元的模块化设计,确定了偏心调节模块的传动方案,设计了铣刀结构与装夹方式。最后,基于螺旋铣孔单元样机,对航空铝合金和碳纤维复合材料进行了切削试验,结果表明铣孔质量基本满足飞机装配的精度要求。样机的成功研制,对提升我国飞机柔性装配整体水平具有重要的现实意义。

飞机壁板柔性装配螺旋铣孔单元的研制

针对现代飞机壁板高效精密制孔的需求,研制一种面向大型航空组件柔性装配的新型螺旋铣孔单元。首先,通过对国内外现有机身自动制孔系统的技术分析,并结合壁板装配制孔的作业特点,引入一种新兴的制孔技术——螺旋铣孔。其次,对螺旋铣孔运动进行功能分解,展开了螺旋铣孔单元的模块化设计,确定了偏心调节模块的传动方案,设计了铣刀结构与装夹方式。最后,基于螺旋铣孔单元样机,对航空铝合金和碳纤维复合材料进行了切削试验,结果表明铣孔质量基本满足飞机装配的精度要求。

基于分屑原理的螺旋铣孔专用刀具研究

基于分屑原理,结合螺旋铣孔中刀具的运动特点,设计一种具有分布式多点阵端部切削刃的螺旋铣孔专用刀具。通过各切削刃运动轨迹描述和切屑形状模拟,对专用刀具的分屑效果、端部和侧部切削刃不同切削作用及刀具使用寿命进行分析;通过铝合金、钛合金、复合材料螺旋铣孔对比试验寿命试验,对专用刀具的分屑及制孔效果、使用寿命进行验证。结果表明专用刀具在飞机装配现场干切削条件下能够实现钛合金孔无毛刺、复材孔无分层加工,同时大幅提升刀具寿命。解决了干切削条件下传统立铣刀对钛合金、复合材料等航空难加工材料进行螺旋铣孔加工时刀具寿命低、加工质量差等问题,满足实际工程应用的需要。

钛合金/CFRP叠层构件螺旋铣孔界面切削热研究

随着钛合金和复合材料(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP)在航空航天制造业的应用比例逐渐增多,其叠层构件切削加工也成为研究热点。由于切削温度不仅影响刀具的磨损和耐用度,同时也会直接影响工件的加工精度和表面质量,本文在分析螺旋铣孔特点的基础上,对钛合金/CFRP叠层构件界面热传递机理进行了研究,建立了钛合金/CFRP叠层构件界面热传递模型,通过有限差分法对模型进行数值仿真求解;结合钛合金/CFRP螺旋铣孔实验,修正了刀具与工件的热传递系数以及工件界面温度传导率,通过钛合金/CFRP叠层构件螺旋铣孔切削热理论模型与试验结果对比,发现本文提出的理论模型分析结果和实验测量结果具有较高的一致性,能为钛合金/CFRP叠层螺旋铣孔加工工艺优化提供理论依据。

C/E复合材料螺旋铣孔切屑形状与切削温度研究

碳纤维增强环氧树脂基体(C/E)复合材料具有优异的性能,广泛用于制造飞行器结构件。在加工C/E复合材料连接孔过程中容易出现分层、撕裂等加工缺陷,而切削温度过高是导致加工缺陷的主要原因之一。螺旋铣孔作为新的制孔技术,加工C/E复合材料时表现出许多优于传统钻孔的特点,受到广泛关注。本文采用专用加工装备开展了C/E复合材料制孔试验,利用红外热像仪实时监测切削温度,分析了螺旋铣孔加工参数对切削温度的影响规律。根据螺旋铣孔运动学规律和切削原理,从未变形切屑形状特点入手分析了螺旋铣孔切削温度的来源和影响因素。研究结果可对深入理解螺旋铣孔加工机理、制定合理的螺旋铣孔加工工艺提供依据。

钛合金螺旋铣孔与传统钻孔的加工质量对比

对钛合金进行了螺旋铣孔与传统钻孔试验,研究了两种孔的加工质量及影响因素。结果表明:钛合金螺旋铣孔的质量相对较高,表面粗糙度相对较小;对于螺旋铣孔工艺,轴向每转进给量是影响孔表面粗糙度的主要因素,切向每齿进给量是影响孔圆度的主要因素,螺旋铣孔参数对孔径的影响不大;对于传统钻孔工艺,轴向每转进给量是影响孔表面粗糙度、圆度和孔径的主要因素。

基于Pareto遗传算法的螺旋铣加工参数优化

螺旋铣是主要针对航空领域中难加工材料的先进制孔工艺技术。在螺旋铣孔过程中,主轴转速、每齿进给量和每转轴向切削深度是3个最主要的加工参数。以材料去除量和刀具耐用度为优化目标,基于Pareto多目标遗传算法,针对螺旋铣削钛合金材料在稳定性切削条件下的切削参数进行了优化,主要考虑铣削参数对孔表面质量的影响。最终通过切削实验进行了验证。

钛合金螺旋铣孔参数对表面粗糙度影响研究

螺旋铣削作为一种新工艺在钛合金制孔方面得到广泛应用,表面粗糙度是评价钛合金孔加工质量的重要指标。基于Matlab建立钛合金螺旋铣孔表面粗糙度预测模型,开展钛合金螺旋铣孔实验,研究发现：在0.15-0.25 mm/rev范围内,随着螺距的增大,钛合金孔表面粗糙度呈现先减小后增大的变化趋势;在0.03-0.05 mm/tooth范围内,随着切向每齿进给的增大,表面粗糙度呈现先逐渐增大后减小的趋势;类似的,在2 500-3 500 r/min范围内,随主轴转速的提高,表面粗糙度变化曲线呈现先升高再降低的规律,但之后又有平缓上升的趋势。研究结果可为钛合金螺旋铣孔参数优化及表面粗糙的控制研究提供重要实验依据。

机器人化螺旋铣孔运动的矢量建模与仿真

为满足现代飞机机身组件高效精密制孔的装配需求,提出一种新型的机器人化螺旋铣孔系统,以弥补现有机器人钻孔系统柔性加工能力的不足。通过对螺旋铣孔机理的简要分析,构建了两种典型的机器人化螺旋铣孔加工方式,比对了两种加工方式的优缺点。运用矢量分析法,建立了两种螺旋铣孔运动的矢量方程,并给出了相应的矢量表达式。通过刀尖轨迹的运动仿真,验证了矢量方程建立方法的可行性与正确性。

基于响应曲面法的碳纤维增强复合材料螺旋铣孔轴向切削力预测

基于二阶响应曲面法建立了碳纤维增强复合材料螺旋铣孔过程中轴向切削力的预测模型,运用方差分析、相关系数等手段验证了模型的准确性以及各输入参数的显著性,并研究了切削参数对轴向切削力的影响规律。结果表明:预测模型回归显著,置信度高,预测精度较高;主轴转速和螺距对轴向切削力的影响较为显著;轴向力随螺距和切向每齿进给量的增大而增大,随主轴转速的增大而先增大后减小。

面向螺旋铣制孔过程的压脚压紧力优化

为了优化机器人螺旋铣制孔过程中末端执行器的压脚压紧力取值,提高末端执行器与工件的接触刚度,消除压紧力取值对加工孔的孔径精度、表面粗糙度、孔位偏差等的影响,采用解析法确定压紧力取值的许用范围.通过建立螺旋铣制孔过程有限元仿真模型,研究许用范围内不同压紧力对加工孔质量的影响,给出压脚压紧力的最优值.通过制孔实验对比分析不同压紧力下的加工孔质量,实验结果表明,在优化后的压脚压紧力作用下,加工孔的圆柱度可以有效控制在0.013mm以内,孔的内壁表面粗糙度可以提升至1.6μm以内.

碳纤维复合材料螺旋铣孔出口缺陷试验研究

现代飞机制造业中碳纤维增强复合材料(CFRP)的使用日益广泛,而螺旋铣孔是飞机制造装配中加工大孔径连接孔的一种新兴工艺。对于CFRP,螺旋铣孔的制孔质量显著高于钻孔,但孔出口处的毛刺与撕裂等缺陷仍不可避免。论文采用正交试验针对CFRP的螺旋铣孔进行研究,并采用直观分析法考察了切削参数、切削力和孔出口缺陷尺寸之间的关系。试验结果表明切削参数对切削力和撕裂宽度影响显著,对毛刺长度影响有限;撕裂宽度与轴向切削力的变化趋势一致;毛刺长度与切削力间未见直观联系。

CFRP/Ti6Al4V叠层构件大螺距螺旋铣孔试验研究

提出了一种大螺距螺旋铣孔工艺。首先,通过对切削参数协同优化、加工设备性能需求等方面的深入分析,探讨了该项工艺实施的可行性。接着,进行了CFRP/Ti6Al4V叠层构件大螺距螺旋铣孔与钻孔的对比试验。分析发现,大螺距螺旋铣孔的孔口与壁面质量及贴合面处孔径精度都优于钻孔;层间切削力突变,Ti6Al4V高温切屑烧(划)伤CFRP壁面等问题,使大螺距螺旋铣削叠层构件的贴合面处孔径精度和孔面质量仍需进一步提高。研究成果为后续探索大螺距螺旋铣孔的工艺优化措施提供了一定的试验依据。

螺旋铣孔末端执行器设计及其运动仿真分析

设计了一种新型可用于机器人制孔系统的螺旋铣孔末端执行器,该末端执行器通过直线调偏方式调偏,并采用双螺母结构消隙,相较于双偏心结构简单直接。详细介绍了该末端执行器抱紧机构设计方案,采用楔形结构抱紧以增大作用面积、提升抱紧效果。并通过对该末端执行器进行运动仿真分析,得出其在工作条件下影响刀尖轨迹包络直径的因素及排列顺序,对包络直径影响的因子按主次排列,其顺序依次是偏心距、自转速度、公转速度。