【摘 要】
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碳纤维/钛合金叠层构件（以下简称CFRP/Ti叠层构件）具有较高的比强度和优秀的抗疲劳、抗腐蚀性能,在航空航天、汽车船舶等领域常被用作承力构件。为满足装配和尺寸要求,需要进行铣削和钻削等二次加工,期间会出现分层、烧蚀和毛刺等缺陷,CFRP产生的热损伤还会加剧制孔缺陷,降低工件的性能和使用寿命,阻碍CFRP/Ti在高端技术领域中的应用,因此,如何提高CFRP/Ti的工件服役寿命和可靠性,实现高质量制
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碳纤维/钛合金叠层构件（以下简称CFRP/Ti叠层构件）具有较高的比强度和优秀的抗疲劳、抗腐蚀性能,在航空航天、汽车船舶等领域常被用作承力构件。为满足装配和尺寸要求,需要进行铣削和钻削等二次加工,期间会出现分层、烧蚀和毛刺等缺陷,CFRP产生的热损伤还会加剧制孔缺陷,降低工件的性能和使用寿命,阻碍CFRP/Ti在高端技术领域中的应用,因此,如何提高CFRP/Ti的工件服役寿命和可靠性,实现高质量制孔成为亟待解决的问题。通过分析发现温度对CFRP/Ti叠层构件的性能影响较大,低温情况下能够抑制缺陷的产生,但是由于材料的特殊性以及加工会产生大量切削热,传统的水基和油基冷却液无法使用。液氮等冷却介质虽然冷却效果好、残留少,但是利用率低,难以应用于普通机床和刀具。为此研究将液氮与干燥空气混合,作为冷却介质辅助钻削CFRP/Ti。本文首先分析CFRP/Ti叠层构件的加工损伤形成机理与低温力学性能,并通过低温力学试验,验证了低温对CFRP样件加工条件的改善作用和加工安全性;然后建立三维钻削CFRP/Ti的热力耦合模型,探究不同温度对轴向力、钻削温度、分层缺陷、钛合金孔出口毛刺和孔边应力的影响。结果发现相较于干式切削,低温冷却条件下,钻削轴向力水平大幅度上升,加工区域温度明显下降,CFRP的分层损伤和钛合金孔出口毛刺得到显著控制,孔边残余应力多为压应力。最后为了验证不同冷却方式对CFRP/Ti叠层构件的钻削轴向力、切削温度和孔加工质量的影响,采用干式切削和液氮低温冷却辅助切削,对CFRP/Ti叠层构件进行加工,验证仿真模型的正确性;并在此基础上研究不同冷却温度（-10℃～-50℃）和不同冷却方式（干式切削、涡流管冷却辅助加工、液氮外喷冷却辅助加工和液氮内喷冷却辅助加工）对轴向力、钻削温度以及加工质量的影响。结果表明,随着冷却效果提升,轴向力变化趋势相同,且整体水平上升,但是CFRP的分层和烧蚀缺陷逐渐减小,孔壁与孔表面质量逐渐提高,刀具磨损以及钛合金出口毛刺现象得到抑制,而且液氮内喷的冷却效果明显优于液氮外喷,并在液氮内喷（-50℃）时获得最佳的加工质量。因此液氮低温冷却对CFRP/Ti叠层构件的制孔质量有明显的促进作用,且在测试温度范围内,温度越低,降温效果越明显,对缺陷的抑制作用越大。
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