钛合金/CFRP叠层构件大直径螺旋铣孔刀具与工艺研究

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在飞机装配中,钛合金/碳纤维复合材料叠层构件大直径孔(19 mm以上)虽然数量少,但钛合金和碳纤维复合材料均属于难加工材料,且直径大,加工十分困难。加工大直径孔通常采用钻孔、扩孔、铰孔三个工序,工序繁多,加工效率低。本文针对钛合金和钛合金/碳纤维复合材料叠层构件,设计了大直径螺旋铣孔专用刀具,并分别在五轴加工装备和Trimule混联加工装备进行切削实验,优化了工艺参数,主要内容包括以下几个方面:大直径螺旋铣孔专用刀具的设计和研制。基于螺旋铣孔加工工艺原理,运用Abaqus仿真软件,进行螺旋铣孔有限元三维仿真,建立了三维模型,并通过实验优化了刀具的几何角度,最终完成了刀具的研制。优化了钛合金和钛合金/CFRP叠层构件的工艺参数。采用正交实验和极差值分析方法,在钛合金以及钛合金/CFRP叠层构件上进行了19.05 mm直径孔的螺旋铣削实验,分析了不同切削参数对轴向切削力值、孔径、粗糙度等的影响规律,并以此为指标优化出最佳工艺参数,在此基础上,研究了最佳参数下切削力、加工质量和刀具磨损随加工孔数的变化规律。通过有限元分析得出了Trimule混联加工装备的螺旋铣孔加工工艺最优加工范围。基于Trimule混联装备的加工特点和螺旋铣孔力学特点,运用Samcef仿真软件在Trimule混联加工装备在其可行域内进行大直径螺旋铣孔静刚度仿真,得到了适合于大直径螺旋铣孔加工工艺的最优静刚度范围,并进行螺旋铣孔实验验证,效果良好。大直径螺旋铣孔专用刀具的研制以及工艺优化,对飞机装配中大幅度提高制孔质量和效率有重要的参考价值。
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