纵向超声振动钻削CFRP/钛合金叠层材料的动态冲击效应分析

为了研究纵向超声振动钻削CFRP/钛合金叠层板的动态冲击效应,将钻头视为一端固定、一端自由的等直径弹性直杆,把刀具-工件系统简化为以超声振动为激励的基础振动系统,建立动力学模型,并通过钻削试验验证了模型的可靠性和实用性。研究结果表明,超声振动产生的动态冲击力幅值,取决于钻头的几何参数和悬伸长度、超声振动的振幅和频率,以及被加工材料的力学特性,与钻削用量(每转进给量和主轴转速)无关;动态冲击力幅值的大小与超声振动的振幅成线性关系,超声振动频率的影响较为微弱;动态冲击力幅值的大小与钻头直径近似为线性关系,与钻头的悬伸长度成非线性关系;超声振动的振幅增大,或钻头直径和悬伸长度增大,都会使动态冲击力幅值增加;加工中的实际动态冲击力的大小与被加工材料的弹性模量和刚性有关,弹性模量和刚性高时,实际动态冲击力也大。这种研究方法和结论对超声振动钻削冲击效应的定量分析和超声振动钻削技术的推广应用提供了参考。

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/钛合金叠层结构高低频复合振动钻削试验

碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)/钛合金叠层结构基于其特殊的性能,被广泛用于航空航天等领域。由于CFRP与钛合金不仅材料性能差异巨大,且二者均属于难加工材料,导致了CFRP/钛合金叠层结构一体化制孔普遍存在刀具磨损严重、加工质量差等问题,严重制约了CFRP/钛合金叠层结构的应用。搭建了高低频复合振动钻孔实验平台,在钻削轴向力、钛合金断屑、钻削温度、CFRP孔出入口质量和CFRP孔壁形貌等方面,对普通钻削,超声振动钻削,低频振动钻削和高低频复合振动钻削四种钻孔方式进行对比分析。研究表明:超声振动有效降低了钻削轴向力,低频振动可达到良好的钛合金断屑效果,并最大程度的降低了钛合金的钻削温度,高低频复合振动钻削CFRP/钛合金叠层结构得到的孔CFRP入口撕裂最小,出口损伤最低,孔壁质量最好。