铝/钛叠层结构钻铰锪一体化制孔刀具开发与工艺参数优化

摘要

随着航空工业的不断发展，优异性能的新型飞机需求量不断增加，飞机结构设计、材料性能、制造工艺和加工工具都需要不断的研究和创新。铝合金和钛合金等材料的物理、力学性能优越，因此这两种材料被广泛的应用于航空装配制造领域。然而，为满足轻量化和结构性能的两种要求，单一组分的传统材料不能满足工程要求。国内外采用将两种材料不同性质的材料的叠加在一起形成的叠层结构，这种结构能够同时拥有两种材料的比强度、比刚度高，耐疲劳性能好，具有较强的设计性等优点，这能大大的降低航空飞行器结构的重量。叠层结构在飞机结构件中得到广泛应用，例如机翼、蒙皮和机身隔板等。但是，两种材料属性差异较大的材料构成的叠层结构给加工制造带来了极大的挑战。为避免分层制孔后再次装配带来的效率低、精度难以保证的问题，工程中多采用铝/钛叠层结构一次性制孔。传统的手工制孔加工制孔精度难以保证、制孔效率低，虽然机器人制孔在迅速的推广和应用，依然存在部分问题严重影响着制孔效率和成本的控制，比如:制孔过程需要不断更换钻铰锪制孔刀具，制孔过程中断屑困难，制孔中的毛刺控制困难，制孔中的刀具寿命短等关键难题。
　　本文首先针对铝/钛叠层结构的钻铰锪制孔加工的机理进行研究，基于钻削单层材料和叠层结构的单因素试验，从钻铰锪切削机理、切屑成形机理、毛刺成形机理以及制孔过程中的动力学特性四个角度对叠层结构制孔加工机理进行了阐释。在对切屑形貌、毛刺种类进行划分的基础上，揭示了制孔工艺参数与切屑形貌、毛刺高度以及动力学特性之间的影响规律。
　　基于不同结构刀具的制孔试验研究刀具结构对制孔过程中的切屑形貌、毛刺高度、制孔切削力和制孔精度的影响规律，提出钻铰锪加工过程中刀具角度和刀具材料的选择原理，为钻铰锪一体化刀具的结构、角度设计和材料选择提供依据。试验研究了所设计的钻铰锪一体化刀具为铝/钛叠层结构制孔过程中的各个参量的制孔特征，并以此对刀具进行评价。
　　为保证刀具的稳定可靠，本文在研究传统制孔刀具的主要破损形式的基础上，从制孔轴向力和制孔精度的角度对一体化刀具的寿命进行评价，并研究了该刀具加工200个孔后的切削刃磨损形貌。在研究一般情况下钻削铝合金、钛合金的基础上，针对钻铰锪一体化刀具通过工艺参数优化提出了适用的工艺参数范围。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 铝／钛叠层结构的加工特点分析

1．3 叠层结构制孔加工工艺研究的现状

1．3．1 制孔过程中的毛刺产生机理与控制策略

1．3．2 制孔加工中的切屑产生和形貌分析

1．4 叠层结构制孔刀具技术研究现状

1．4．1 刀具材料的选择

1．4．2 刀具结构研究

1．5 叠层结构制孔的动力学特性研究现状

1．5．1 制孔过程中的动力学特性研究对制孔的影响

1．5．2 动力学特性研究现状

1．6 论文的提出、研究内容和总体框架

1．6．1 论文的提出

1．6．2 论文的主要研究内容

1．6．3 论文整体框架

第二章 铝／钛叠层结构制孔机理研究

2．2．1 刀具结构对钻削加工影响机理分析

2．2．2 刀具结构对铰削加工影响机理分析

2．2．3 刀具结构对锪窝加工影响机理分析

2．2．4 刀具结构对钻铰锪加工影响有限元仿真分析

2．3 单、叠层材料制孔切屑形成机理分析

2．3．1 单层材料制孔实验设计

2．3．2 铝合金切屑形貌分析

2．3．3 钛合金切屑形貌分析

2．4 制孔过程中的毛刺情况分析

2．5 单、叠层材料制孔加工动力学特征研究

2．6 本章小结

第三章 铝／钛叠层结构钻铰锪一体化刀具结构设计与优化

3．1 引言

3．2 不同结构刀具钻削叠层结构试验设计

3．2．1 不同刀具的制孔切屑形貌

3．2．2 不同刀具的制孔毛刺形貌

3．2．3 不同刀具的制孔切削力的变化

3．2．4 不同刀具的制孔精度的变化

3．3 钻铰锪一体化刀具的材料选择与结构设计

3．3．1 PCD钻铰锪一体化刀具优缺点分析

3．3．2 整体硬质合金刀具角度选择原理和结构设计

3．3．3 刀具结构的仿真试验研究

3．4 一体化刀具结构改进与切削性能评价

3．4．1 新刀具对比试验设计

3．4．2 不同结构的一体化刀具的切屑效果评估

3．4．3 不同结构的一体化刀具的毛刺效果评估

3．4．4 不同结构的一体化刀具的孔形精度

3．4．5 不同结构的一体化刀具的动态特性分析

3．5 铰、锪制孔对钻削加工的作用分析

3．6 本章小结

第四章 钻铰锪一体化刀具寿命研究

4．1 引言

4．2 传统制孔刀具的主要磨损形式

4．3 恒定工艺参数刀具寿命特性分析

4．4 一体化刀具磨损形貌分析

4．5 本章小结

第五章 叠层结构钻铰锪一体化刀具制孔工艺参数优化

5．1 引言

5．2 单层材料制孔试验的工艺参数优化

5．3 一体化刀具制孔工艺参数优化

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间获得的学术成果及参加科研项目

致谢