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碳纤维复合材料/钛合金叠层装配制孔技术研究

作　者: 张选龙
导　师: 高航
学　校: 大连理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 碳纤维复合材料钛合金钻削 PCD刀具柔性装配技术
分类号: V257
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

碳纤维复合材料与金属材料构成的性能差异的叠层构件在飞机机翼和尾舵中应用广泛,叠层构件装配过程中需要大量的铆接或螺接孔。在这些航空产品装配制孔中,最佳的工艺是在碳纤维复合材料和金属材料叠层构件上同时加工出所需要的铆接或螺接孔,这是确保叠层材料构件产品连接强度、刚度和安全性的主要手段。然而由于碳纤维复合材料层间结构特点和两种材料性能的巨大差异,制孔质量难以保证并且刀具磨损剧烈。特别是随着飞机柔性装配技术和数字化制造技术的发展,其关键技术之一就是要求在装配过程中采用一道工序同时高效加工碳纤维复合材料和钛合金(铝合金)两种完全不同性质的难加工材料。本文以国防重大需求为基础,结合国家自然科学基金项目、国家高技术研究发展(863)计划及辽宁省教育厅高等学校科技研究项目相关研究内容,开展了碳纤维复合材料／钛合金叠层装配制孔技术研究,论文主要研究内容和取得的阶段学术成果如下：(1)根据聚晶金刚石硬度高、抗压强度高及耐磨性好等特性,初步设计和研制了适合碳纤维复合材料／钛合金叠层钻削的PCD刀具,围绕刀体的结构设计、金刚石复合片的切割及金刚石复合片的焊接工艺开展研究,并在后续试验分析中对刀具的几何角度和金刚石复合片的粒度进行优化。(2)通过对不同刀具材料进行对比试验研究,分别开展了碳纤维复合材料及钛合金钻削试验。在碳纤维复合材料钻削研究中,围绕钻削工艺参数的选择、PCD刀具的制孔质量、PCD刀具的磨损和使用寿命等开展。在钛合金钻削研究中,主要研究了钛合金钻削出口缺陷形成机理、对缺陷种类进行了分类与评价、观测了钛合金的切屑缠绕现象及切屑的形貌,并针对钛合金钻削断屑困难易导致刀具磨损的难题,提出了基于变进给策略的钛合金断屑钻削新工艺,试验结果表明钛合金出口质量得到了显著改善。(3)综合分析复合材料和钛合金钻削的最优工艺参数和条件基础上,开展了碳纤维复合材料／钛合金叠层的钻削研究,提出了叠层构件钻削的缺陷模型。并进一步提出了基于变工艺参数策略的PCD刀具钻削叠层构件新工艺,分别探究了变工艺参数钻削工艺路径的优化、叠层板钻削变工艺参数位置的确定、变工艺参数钻削切削力典型特征、刀具使用寿命和叠层板制孔出口质量等,实现了碳纤维复合材料／钛合金叠层一体化高效、高质量数控装配制孔。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-20
  1.1 碳纤维复合材料/钦合金的性能与应用  9-12
  1.2 碳纤维复合材料/钛合金钻削研究现状  12-17
    1.2.1 碳纤维复合材料钻削研究现状  12-14
    1.2.2 钛合金钻削研究现状  14
    1.2.3 叠层构件钻削研究现状  14-17
  1.3 课题的选题意义与研究内容  17-20
    1.3.1 论文的选题背景与意义  17
    1.3.2 论文的主要研究内容  17-20
2 碳纤维复合材料及钛合金单板钻削研究  20-39
  2.1 碳纤维复合材料制孔刀具的选择  20-23
    2.1.1 碳纤维复合材料传统制孔刀具  20-21
    2.1.2 碳纤维复合材料新型制孔刀具  21-23
  2.2 PCD刀具的设计与研制  23-26
    2.2.1 PCD刀体的结构设计  24
    2.2.2 金刚石复合片的切割  24-25
    2.2.3 金刚石复合片的焊接  25-26
  2.3 PCD刀具钻削碳纤维复合材料的试验研究  26-33
    2.3.1 试验设备与试验方案  26-28
    2.3.2 加工条件优化分析  28-29
    2.3.3 刀具磨损寿命分析  29-32
    2.3.4 刀具几何角度分析  32-33
  2.4 基于变进给策略的钛合金断屑钻削研究  33-39
    2.4.1 钛合金钻削缺陷形成机理  33-35
    2.4.2 钛合金出口毛刺缺陷种类  35
    2.4.3 钛合金钻削断屑与切屑形貌  35-37
    2.4.4 变进给断屑钻削钛合金新工艺  37-39
3 碳纤维复合材料/钛合金叠层板一体化钻削研究  39-54
  3.1 试验条件与试验方案  39-41
    3.1.1 试验设备与试验样件  39-40
    3.1.2 叠层板试验方案设计  40-41
  3.2 叠层板构件钻削顺序的确定  41-43
  3.3 叠层板构件钻削缺陷的形成  43-46
    3.3.1 叠层板钻削常见加工缺陷  43-44
    3.3.2 叠层板钻削钛合金弹塑性变形  44-45
    3.3.3 叠层板钻削氧化与自燃现象  45-46
  3.4 叠层板构件钻削孔质量分析  46-49
    3.4.1 钻削工艺参数对切削轴向力影响  46-48
    3.4.2 钻削工艺参数对制孔质量影响  48-49
  3.5 叠层板构件钻削温度场分析  49-52
  3.6 叠层板构件钻削切屑形貌分析  52-54
4 基于变工艺参数策略的叠层板数控装配制孔新原理  54-71
  4.1 变工艺参数钻削叠层板新原理  54-56
    4.1.1 变工艺参数试验台的开发与研制  54-55
    4.1.2 变工艺参数钻削叠层板新原理  55-56
  4.2 变工艺参数钻削工艺路径的优化  56-59
    4.2.1 试验条件与试验方案  57-58
    4.2.2 钻削工艺路径的优化  58-59
  4.3 变工艺参数钻削叠层板位置的确定  59-63
  4.4 变工艺参数下切削力典型特征分析  63-64
  4.5 变工艺参数下切削参数对制孔质量的影响  64-68
    4.5.1 钻削参数对轴向力的影响  64-66
    4.5.2 钻削参数对制孔质量影响  66-68
  4.6 变工艺参数下刀具的磨损  68-71
结论  71-72
参考文献  72-76
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  76-77
致谢  77-79

碳纤维复合材料/钛合金叠层装配制孔技术研究

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