车用CFRP材料超声振动钻孔工艺优化及质量分析

为了提高难加工增强体碳纤维复合材料(CFRP)的钻孔加工性能,在螺旋铣加基础上增加了超声振动辅助。设计了不同工艺条件对CFRP超声振动螺旋铣孔实施测试,对比了各条件下CFRP超声辅助螺旋铣孔的切削力差异,测试了孔加工质量状态。研究结果表明:采用超声振动螺旋铣方法处理可以避免引起分层现象,保证同一部位纤维与树脂基体相互形成更紧密结构。综合工艺参数对切削力和切削温度的影响,确定一下参数范围是比较优秀的:主轴转速4000r/min,螺距0.15mm,切向进给量0.04mm。CFRP分层状态受到切削刃锋利性以及材料去除率的综合影响,调整工艺参数能够有效的控制材料去除量,对切削力和切削温度起到很好的调节效果,进而减小分层损伤。

基于机身壁板制孔离线编程系统设计及应用

为了提高机身壁板制孔的精度与工作效率和缩短生产制造周期,根据飞机机身壁板自动制孔需求,基于DELMIA二次开发技术,对机身壁板的自动制孔系统程序进行开发,按照制孔需求,通过对系统的操作完成对机身壁板的制孔工作,制孔质量满足需求,为未来大面积应用提供了理论基础。

基于点云数据的大曲率工件表面法向计算方法研究

航空航天构件装配制孔时对垂直度有严格要求,采用机器人等自动设备制孔时,为保证垂直度需要对每一个制孔位置的法向进行在位测量。现有的工件表面法向测量方式难以适应大曲率工件表面的测量需求。通过线激光扫描,可以获得反映工件局部表面详细信息的点云数据,在此基础上提出一种大曲率工件表面法向计算方法。首先研究了通过主成分分析(PCA)对局部点云数据进行平面拟合获得曲面法向的方法,然后选取了若干典型曲率,通过仿真生成点云数据,并分析了法向拟合误差的变化规律。通过试验验证了上述方法的有效性,结果表明,当点云选择范围在12mm以下时,直径为50mm的圆柱试验件的法向拟合误差可以保证在0.219°以下。

CFRP制孔过程中轴向力自适应控制仿真及实验研究

钻削轴向力的大小和碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiberrein-forced plastic, CFRP)制孔质量的好坏密切相关,为合理调控轴向力来减少制孔缺陷,开展了CFRP制孔过程中轴向力的自适应控制仿真及实验研究。首先,开展CFRP钻削试验,对轴向力及制孔质量进行了定量研究。其次,根据CFRP钻入、稳定钻削及钻出阶段不同加工特性建立了轴向力三阶段模型。最后,基于模糊逻辑及所建模型进行了轴向力自适应控制仿真及实验研究。结果表明:利用模糊逻辑控制算法结合CFRP加工特性,对制孔过程中轴向力进行智能调控是可行的;此外,根据仿真信息调控轴向力可有效降低制孔缺陷、提升孔壁质量。该研究为大厚度碳纤维复合材料制孔过程中轴向力的智能调控提供了新的思路。

带同轴引气激光制孔中的气动特性分析

针对锥形激光加工器在航空发动机热部件冷却孔加工过程中的吹渣效果,研究了射流冲击孔板附近的流场特性及其影响因素。针对同轴高压气体撞击带盲孔平板的射流结构,采用数值模拟方法,分析了不同进气压力p_(int)(0.2~1.5 MPa)、射流间距H/De(3.6,5.6,7.6)和冲击角度α(30°,45°,60°,90°)对盲孔附近气体动力学性能的综合影响。研究结果表明,当H/De为3.6时,随进气压力的增大,盲孔附近的气体动力学性能呈现先逐步提高后剧烈下降的趋势,较好工作压力为1 MPa;当射流间距H/De达到5.6及以上时,适当地增大喷嘴压力可以提高盲孔附近气流的气动水平,但提升有限。随着冲击角度α减小,盲孔内流出质量流量逐渐增大,α为30°时较垂直射流提升约11倍,但在冲击表面上气体的剪切流动随冲击角度减小逐渐变弱。

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。

集成视觉显著性和群决策的航空零件孔特征检测

为了实现复杂环境下航空零件孔特征的高效高精度检测,提出了一种集成视觉显著性和群决策的检测方法。在经典FT显著性检测算法中引入图像增强步骤,并为每个像素赋予以最大显著区域中心为参考的权重,使用改进后的方法对图像进行孔区域分割。设计具有多尺度多结构元素的新型数学形态学边缘检测算法,结合轮廓细化算法对孔区域进行轮廓提取。最后,利用Meanshift算法寻找轮廓点的圆心位置,建立新的基于群决策的圆半径计算模型,获得孔特征的关键几何参数。结果表明:改进的视觉显著性特征检测算法能够生成更加突显孔特征的全分辨率显著图;新型数学形态学边缘检测算法能获得简化且可靠的轮廓点;该方法在不均匀光照、各类孔缺陷和孔内壁干扰等条件下均显示出较好的稳定性;即使在噪声密度高达30%时仍能成功完成孔检测,且圆心坐标和半径的误差均小于0.012 mm;平均检测时间仅为0.236 s。该方法能够在复杂环境下对航空零件孔特征进行准确、稳定的检测。

刀具类型及工艺方法对纤维增强复合材料制孔加工质量影响的研究进展

概括总结了刀具类型及工艺方法对纤维增强复合材料(FRC)制孔加工质量影响的最新研究进展。首先介绍了FRC的分类、特性及其在航空航天领域中的应用,以及传统麻花钻制孔刀具及工艺存在的加工缺陷及问题;其次,概述了FRC制孔的分层缺陷形成及评价;再次,从制孔刀具类型及工艺方法两方面,分别概述了FRC制孔加工质量的研究进展,并总结了改善制孔加工质量的新刀具、新工艺和新方法;最后,分析总结了刀具类型及工艺方法对FRC制孔加工质量效果的影响,同时对未来发展趋势和未来工作研究可能方向进行了展望。

碳纤维复合材料PCD刀具低温和干式制孔试验研究

目的针对CFRP开展二氧化碳低温冷却和干式条件下的PCD刀具制孔试验研究,从而提高CFRP材料的切削性能、制孔精度及制孔质量。方法在传统钻孔和低温冷却条件下,采用常规和织构PCD刀具开展制孔试验,分析不同切削参数下的轴向推力、总切削力、入口直径和相对误差、表面黏结、孔壁形貌及缺陷的差异性。结果在干式和低温冷却条件下,CFRP钻入过程产生的轴向推力和总切削力均随着进给速度的增大而不断增大;在试验条件下,当进给速度增大时,PCD刀具+干式、PCD刀具+低温及PCD织构刀具+低温3种方式下获得的入口直径相对误差范围分别为0.29%~0.42%、0.57%~1.15%、0.38%~0.89%;与干式加工相比,低温冷却有效抑制了刀具切屑黏结;总体来说,在低温冷却下,孔壁表面有明显的纤维断裂,形成较多的纤维断口坑、微裂纹,树脂表面涂覆均匀性较差。结论在CFRP钻孔过程中,相对于干式钻孔,在相同切削参数下,低温冷却下可以获得更大的切削力;与低温冷却相比,采用干式钻孔能够提高入口直径尺寸的制孔精度,有效提高抗黏结效果;总体来说,相同切削参数下,干式制孔获得的孔壁表面更加平整和均匀。

航空发动机风扇单元体高效孔加工技术

论述了涡扇发动机风扇单元体孔的特征、加工难点和加工刀具的设计思路。针对特征孔加工周期长、质量差的问题,设计了新型加工刀具及改进加工工艺路线,提高了加工效率和零件质量,形成一套高效的孔加工方案,有利于提升航空发动机整体制造水平。

航空液压壳体基于特征的快速编程应用实践与建议

论述了航空液压壳体数控编程的特点及存在的问题,针对孔及孔系特征采用目前基于CATIA软件的人机交互编程方法带来的编程周期长、重复工作量大、知识重用率低等难题,提出通过引入基于特征的快速编程技术加以解决。重点介绍了典型加工特征分类、工艺知识库建立、工艺决策规则定义、基于特征的快速编程系统构建等应用实践,并通过实例进行了验证。结果表明,基于特征的快速编程技术能够大幅缩短编程周期,降低重复工作量,提高编程规范性和质量一致性,促进知识积累。最后,给出了基于特征的快速编程技术的应用建议,以期为在其他类型零件或特征上的应用提供借鉴和参考。

机械造穴增透技术在下霍煤矿的应用

下霍煤矿属于高瓦斯矿井,工作面回采期间回风流瓦斯较大,煤层透气性较差,抽采达标时间长,严重制约矿井正常采掘交替。为提升本煤层瓦斯抽采效果,提出利用机械造穴技术对下霍煤矿3^(#)煤层回采工作面本煤层钻孔进行增透。首先通过建立煤层机械造穴增透三维损伤模型,运用Comsol软件解算,为现场实际施工提供理论基础。然后现场施工2组钻孔,对增透前后实际抽采效果进行对比。研究表明,增透后下霍煤矿3#煤层本煤层预抽钻孔单孔抽采浓度较增透前提升1.45倍,抽采纯量较增透前提升2.53倍。

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。

CFRP/7050复合材料叠层制孔参数研究

数字化制孔凭借高精、高效、高一致性优势在飞机蒙皮叠层制孔中应用日益广泛,其参数的合理性直接影响制孔质量与精度,进而影响飞机的质量与寿命。为获得高精、高效的复合叠层制孔参数,以碳纤维增强型复合材料(CFRP)/铝合金(7050)叠层为研究对象,开展叠层制孔参数研究。设计两次正交试验研究制孔参数对孔径的影响,以主效应图为工具,分析第一次正交试验结果,初步明确各参数对孔径的影响趋势;进而优化正交试验参数取值区间,设计并实施第二组正交试验,结合两组正交试验结果,获得最佳制孔参数。针对该参数的工程实用性,从参数制孔能力、刀具加工寿命两方面进行实验验证。同时,为减少参数研究工作量,将经过验证的制孔参数在工况相同、孔径相近的制孔场景下进行拓展应用研究。在满足制孔精度的前提下,通过制孔能力和刀具制孔寿命实验,验证了拓展应用的可行性,并得到该参数适用的孔径范围,有效减少了制孔参数研究的工作量,提高了制孔参数研究效率。

立式加工中心铣圆精度分析与提升方法研究

在数控机床长期使用过程中,滚珠丝杠、导轨及轴承存在一定程度的磨损,且数控系统动态响应不稳定,伺服优化不完善,也会影响数控机床的圆度误差。为此,提出了一种能够提升立式加工中心铣削圆精度的新方法。首先介绍立式加工中心加工中存在的精度问题;然后提出一种改进的立式加工中心加工方法,通过优化切削参数、建立循圆加工能力指数计算公式,根据实验找到机床加工极限进给,并通过设置合适的加工能力指数实现了铣削圆加工精度的提升;最后通过实验验证该方法的有效性,并进行综合评价和分析。实验通过调整系统参数更改反向间隙值来提高加工中心的精度,同时将参数K定义为设备的循圆加工能力指数,根据切削验证,得出K≤600时,插补铣削精度<0.01 mm;K为1 800时为机床极限加工进给。分析结果为立式加工中心精度提升提供了新的方法和思路。

纵向超声辅助螺旋磨削Ti_(3)Al微孔的磨削力模型研究

为建立超声辅助螺旋磨孔过程中磨削力的预测模型,充分发挥磨削力在Ti_(3)Al微孔磨削工艺参数优化中的指导作用,基于切屑断面面积理论,分析了超声振动下切削变形力和摩擦力的变化,建立了超声螺旋磨孔的磨削力模型。搭建超声辅助螺旋磨削Ti_(3)Al微孔实验平台,采集磨削力数据并与所建模型进行验证。研究结果表明,磨削力随着主轴自转速度的增大而减小,并随着进给速度的增大而增大;当超声振幅由0增大至1.6μm时,平面磨削力和轴向磨削力分别减小了27.2%和28%。超声螺旋磨孔磨削力模型的预测结果与实验数据显示出良好的一致性,数值误差保持在20%以内,为超声辅助螺旋磨削Ti_(3)Al微孔的工艺参数优化提供了理论依据。

基于MQL的碳纤维复合材料制孔表面质量及切削力试验

目的 减少碳纤维增强复合材料(CFRP)制孔表面毛刺及边缘凸起等缺陷。方法 对比研究在干切削和微量润滑(MQL)2种加工条件下碳纤维增强复合材料(CFRP)的制孔,在切削速度一定时,探究切削方式、进给速度对制孔尺寸精度、表面质量、切削力的影响。采用方差分析对各影响因素及其权重进行分析。结果 得出了切削方式和工艺参数对制孔尺寸精度、切削力、表面质量的影响规律。试验结果表明,在微量润滑条件下,由于润滑和降温的影响,表面毛刺得到有效去除,纤维断面平整,剪切作用明显,抑制了由温升所引起的边缘隆起膨胀现象,试样的表面质量得到显著提高,切削力整体降低。在干切削和微量润滑条件下对制孔尺寸精度影响最大的是切削方式。对于切削力,在干切削时受到切削方式的影响最大,在微量润滑条件下受到进给速度的影响最大,随着进给速度的增大而增大。结论 在现有试验条件下,微量润滑的加工质量总体上优于干切削的加工质量,其制孔尺寸的精度整体更高,其切削力最大降低了84.26%。

碳纤维增强热塑性复合材料螺旋铣磨制孔损伤研究

目的研究碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)螺旋铣磨制孔的切削温度和切削力的变化趋势,以及典型制孔损伤的特点,并分析切削温度的下降对制孔损伤的影响。方法采用螺旋铣磨的方法开展CFRTP的制孔试验研究,通过改变工艺参数研究切削温度、切削力的变化趋势,分析各类典型制孔损伤的特点、形成原因及随工艺参数的变化情况,并研究添加冷却辅助降低切削温度对抑制制孔损伤的效果。结果随着刀具自转转速、公转转速和螺距的升高,切削温度分别升高了约46.43%、12.06%和95.97%;切削力随着自转转速的升高而降低,随着公转转速和螺距的升高而增大。当螺距达到0.45mm时,轴向力会有所下降。入口损伤和出口损伤主要以毛刺为主,损伤会随着各工艺参数的升高而加剧,孔壁损伤主要表现为涂覆、变形、裂纹等3种形式。添加冷却辅助后,制孔质量得到显著提高,高温下的刀具涂覆问题基本解决。结论切削温度是影响CFRTP制孔质量的主要因素,切削温度的升高导致树脂基体软化,使得切屑形貌从粉末状转变为连续薄片状,进而对切削力产生影响,树脂软化对制孔损伤有着明显的影响。冷却辅助能够明显地降低切削温度,从而起到抑制损伤的作用。

一种新型月壤水冰采样系统设计及试验验证

针对月球极区永久阴影坑深低温环境下,月壤水冰的硬度和机械强度很高,铲挖、钻进等常规采样方式难以实现低耗、快速采样的问题,提出了利用火工爆燃作动的动能侵彻方式快速构建月壤剖面孔洞,利用机械臂将采样工具送至孔内实施样品精确采集的新采样方法,并据此设计了新型月壤水冰采样系统。设计并研制了侵彻单元工程样机,基于力学等效性原则制备了拟实靶体,对工程样机的侵彻效能开展了试验验证。试验结果表明,对于单轴抗压强度30 MPa的模拟月壤水冰力学等效物能实现快速侵彻,侵彻深度可达234 mm,侵彻时间优于1 s。提出的侵彻式造孔和采样方法具有轻量化、低能耗、高效率、高强度月壤对象突破能力强等突出优势,可为后续月壤水冰采样探测任务提供有益借鉴。

SiC/GFRP复合装甲超声辅助制孔技术研究

针对新型轻质陶瓷材料为核心的高性能复合装甲在常规加工过程中质量差等问题,对SiC/GFRP复合装甲进行超声振动辅助制孔加工技术研究,通过改变机床主轴转速、进给速度等加工工艺参数,探究钻削力的变化。结果表明:提高主轴转速或降低进给速度,可有效减小钻削轴向力;超声振动辅助提高了制孔表面完整性,能显著改善制孔质量。