【摘 要】
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碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced plastic,CFRP）和钛合金组成的叠层结构是实现高端装备减重增效、保证高可靠承载的关键结构,该类叠层结构通常采用螺接或铆接的方式进行装配连接,因此连接孔加工是其制造中的必要环节。然而两种材料性能迥异,且均为难加工材料,一体化钻削CFRP/钛合金叠层结构时常发生复材损伤严重、孔径一致性差等问题,严重影响构件使用性能。低频
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碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced plastic,CFRP）和钛合金组成的叠层结构是实现高端装备减重增效、保证高可靠承载的关键结构,该类叠层结构通常采用螺接或铆接的方式进行装配连接,因此连接孔加工是其制造中的必要环节。然而两种材料性能迥异,且均为难加工材料,一体化钻削CFRP/钛合金叠层结构时常发生复材损伤严重、孔径一致性差等问题,严重影响构件使用性能。低频振动钻削工艺具有高效断屑、降低钻削温度等特点,是提高制孔质量的有效方法,已在叠层结构制孔中逐步得到应用,其中振幅作为振动钻削的主要参数,振幅选择不当会加剧复材损伤、降低加工效率。本文开展低频振动振幅对CFRP/TC4叠层结构制孔质量影响研究,从分析振动对叠层结构钻削过程影响机制着手,通过低频振动钻削实验,研究了振幅对钻削过程中力热行为、切屑形态和制孔质量的影响规律,进而优选振幅,设计了可以实现指定振幅的低频振子,在钻削装置上得到集成应用。相关研究内容包括:（1）对振动钻削过程进行运动分解,阐明刀具在轴向和径向的切削运动过程;基于振动对刀具切削轨迹的影响分析,推导振动钻削理论断屑条件,进一步分析得到了刀具在振动钻削时实际切削角度变化规律,结合常用麻花钻和阶梯钻阐明了振动钻削时钻削阶段的划分及实际工作角度的变化情况。（2）开展CFRP/TC4叠层结构低频振动钻削实验,分析了振幅对CFRP/TC4叠层结构钻削力热行为及切屑形态影响规律,发现振幅增大会引起最大瞬时切削厚度增大,最大轴向力增大,但同时使得刀具与工件的分离时间变长,平均轴向力减小;在振幅大于最小断屑振幅时产生断屑效果,切屑尺寸随振幅增大而减小;振动钻削产生的断屑效果和断续式切削作用能有效改善散热条件,降低切削温度。（3）分析了叠层结构制孔缺陷产生机理,基于振幅对力热行为和切屑形态的影响,分析了振幅对制孔质量影响规律。即振幅的增大会减弱钛合金切屑对复材入口区域的刮擦作用,但同时会增强刀具对纤维的掀起剥离作用,振幅过大或过小均会加剧复材入口损伤;振幅增大引起的断屑和降温效果的提升会使得切屑对孔壁划擦作用减弱,热膨胀对孔径的影响降低,钛合金粘刀作用减少,进而实现了孔壁质量和孔径尺寸精度的提高。（4）分析了机械结构下低频振动实现原理,建立机构运动学分析模型;结合工艺试验优选振幅进行了可实现典型振幅低频振动的低频振子结构设计,对其振动参数进行测试,最终将其与课题组现有便携式制孔设备集成进行叠层结构钻削实验验证。
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