基于螺旋铣专用机床的CFRP/铝合金叠层制孔研究

摘要

随着航空先进制造技术的进步与发展，飞机上大量采用了整体式CFRP壁板与铝合金构成的叠层结构，在减轻飞机重量的同时大大提高了整体性能。然而，在CFRP/铝合金叠层连接孔加工中，因两种材料性能差别较大，传统手工制孔效率低，孔位精度差，加工质量难以保证，严重影响了飞机的装配精度和效率。因此，如何实现CFRP/铝合金叠层结构的高质量、高效率制孔，是当前航空构件数字化装配制造亟待解决的难题。 本文采用螺旋铣孔技术对CFRP/铝合金叠层结构进行了高效高质量自动化制孔工艺策略研究，首先构建了机床自动化螺旋铣孔系统，详细介绍了本系统内制孔专用机床和螺旋铣末端执行器的组成结构与特点，并结合某型号工程现场应用制定了CFRP壁板与铝合金叠层自动化制孔的具体工艺流程。 确保机床系统的定位精度是实现系统自动化制孔的前提。为实现制孔专用机床的准确定位，建立了制孔专用机床系统的运动学模型，进行了运动学的正向与反向求解，并采用激光跟踪仪测量系统对模型中的关键运动学参数进行了测量与标定。通过试验验证了运动学模型以及运动学参数的准确性，为保证机翼自动化制孔的孔位精度奠定了基础。 利用机床自动化螺旋铣孔系统开展了CFRP/铝合金叠层螺旋铣孔试验，分析了叠层制孔的孔径精度与孔壁质量，发现了CFRP缩孔是造成CFRP与铝合金孔径偏差过大的主要原因，研究了CFRP孔壁随刀具磨损的质量变化。对CFRP的缩孔机理进行了分析，建立了刀具侧刃后刀面与CFRP回弹区域的受力模型，得出了刀具侧刃后角对CFRP回弹的影响规律。 为有效控制CFRP/铝合金叠层螺旋铣孔出现的质量缺陷，基于CFRP缩孔机理分析的结果，对刀具侧刃后角进行优化设计，通过对比试验选取了可以有效抑制CFRP缩孔问题的刀具结构。基于优选后的刀具，以CFRP/铝合金叠层孔径精度及CFRP孔壁质量为优化目标，运用响应曲面法进行了工艺参数优化，选用优化刀具与工艺参数进行了CFRP/铝合金叠层螺旋铣孔刀具寿命试验，验证了工艺优化效果，有效提高了CFRP/铝合金叠层制孔质量。

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摘要

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本文使用的插表清单

第一章绪论

1．1研究背景及意义

1．2自动化制孔技术研究现状

1．3 CFRP与铝合金制孔加工研究现状

1．3．1 CFRP制孔加工研究现状

1．3．2铝合金制孔加工研究现状

1．3．3 CFRP／铝合金叠层制孔加工研究现状

1．4螺旋铣孔技术研究及应用现状

1．4．1螺旋铣孔加工原理

1．4．2螺旋铣孔技术应用现状

1．4．3当前螺旋铣孔技术叠层制孔存在问题

1．5论文主要研究内容和总体框架

1．5．1论文主要研究内容

1．5．2论文总体框架

第二章机床自动化螺旋铣孔试验系统

2．1机床自动化螺旋铣孔系统总体构建

2．2机床自动化螺旋铣孔系统各组成部分

2．2．1制孔专用机床

2．2．2螺旋铣末端执行器

2．2．3试刀架系统

2．3机翼自动化制孔流程设计

2．3．1机翼整体制孔工艺流程

2．3．2单个连接孔加工工艺流程

2．4本章小结

第三章机床系统运动学建模及主要运动学参数标定

3．1制孔专用机床系统的运动学建模

3．1．1制孔专用机床系统坐标系的构建

3．1．2制孔专用机床系统的正向运动学计算

3．1．3制孔专用机床系统的反向运动学计算

3．2制孔专用机床系统运动学参数的标定

3．3试验验证

3．3．1试验设计

3．3．2试验结果分析

3．4本章小结

第四章CFRP／铝合金叠层螺旋铣孔高质量制孔工艺分析

4．1 CFRP／铝合金叠层螺旋铣孔试验设计及分析

4．1．1 CFRP／铝合金叠层螺旋铣孔试验设计

4．1．2 CFRP／铝合金叠层螺旋铣孔质量分析

4．2 CFRP缩孔机理分析

4．2．1 CFRP回弹表面与刀具后刀面接触应力建模

4．2．2 CFRP回弹与刀具磨损间的互相作用

4．3 CFRP孔壁质量分析

4．4本章小结

第五章CFRP／铝合金叠层螺旋铣孔缺陷控制策略研究

5．1螺旋铣孔专用刀具侧刃后角的优化

5．1．1螺旋铣孔专用刀具侧刃后角分析

5．1．2螺旋铣孔刀具后角优选试验设计

5．2工艺参数优化

5．2．1响应曲面法试验设计

5．2．2试验结果分析

5．3试验验证

5．3．1孔径精度分析

5．3．2孔壁质量分析

5．4本章小结

6．1总结

6．2展望

参考文献