碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)因其比强度高、质量轻、易于设计成型等优点,在航天与民用工业装备等领域均得到了广泛的应用。然而,正是其可设计性使得碳纤维复合材料叠层结构件具有各向异性,在加工时导致结构件的分层、撕裂、毛刺等缺陷,进而严重影响孔壁质量和制孔精度,从而使构件在稳定性及安全性上存在潜在风险。刀具在对复合材料进行切削时,刀具的切削状态与复合材料的加工质量密切相关,因此,通过对刀具切削状态监测实现对钻孔质量的监控,解决制约碳纤维复合材料更广泛使用的技术瓶颈,将有助于其更好地在航空航天,轨道交通,智能机器人等高端制造领域推广应用。本文研究内容主要包含以下几个方面:(1)研究碳纤维复合材料在钻削时刀具对材料的切削机理,阐述由于磨损等因素而造成的钻孔缺陷类型和产生原因,据此分析切削力与钻孔质量间的关系;基于刀具的细观结构特点和钻削原理建立刀具的细观钻削力学模型,依据建立的力学模型对刀具磨损机理进行研究。(2)搭建刀具状态监测系统并分析各组成部分功能,实现对钻削轴向力及应变的监测。基于搭建的监测系统开展实验研究,设计实验方案,优化实验环节,实现数据采集。比较机器视觉不同照明方式下的图像质量,优选照明方式并完成CFRP钻孔出口质量的拍摄。采用基恩士超景深显微镜测量刀具的磨损量,探究钻孔质量和刀具状态之间的关系。(3)研究TiAlN涂层刀具打磨对改善CFRP钻削质量的影响机理,通过超景深显微镜对刀具打磨前后的微观形貌进行观测并对相应的钻削应变信号处理分析,揭示TiAlN涂层刀具打磨后改善钻削质量的原因及应变频域信号特征。(4)开展钻削轴向力时域信号分析,建立轴向力峰值与刀具磨损间的关系;通过进一步的时频域数据处理,得到应变统计特征与磨损之间的相关性,在频域内构建磨损表征因子主旁抑制比、主峰峰谷比,并由此得到刀具不同磨损下的变化规律,服务于刀具磨损状态的预测。