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复钛叠层超声椭圆振动钻削实验研究

邵振宇  彭振龙  李哲  姜兴刚  张德远  李少敏  耿大喜  
【摘要】:碳纤维复合材料(CFRP)与钛合金(Ti6Al4V)由于具有良好的综合性能被广泛的应用于航空航天领域。其中,碳纤维复合材料在飞机中所占比重的多少,更成为衡量飞机综合性能的重要指标。但是,碳纤维复合材料和钛合金均属于难切削加工材料。碳纤维复合材料性脆大、强度高、碳纤维硬度大、导热能力差,导热系数只为奥氏体不锈钢的1/5-1/10。碳纤维的高硬度使得刀具磨损快、刀具耐用度低。另外碳纤维复合材料各向异性,层间强度低,切削时在切削力作用下容易产生分层、撕裂等缺陷,钻孔时尤为严重,加工质量难以保证。钛合金其比强度高、导热性差、加工硬化严重;由于其化学活性大,在一定温度下与周围介质容易发生化学反应,产生脆而硬的外皮,加工时塑性和冲击韧性剧烈下降,刀具磨损和破损严重、耐用度低,加工精度和表面质量难以保证,加工效率低下。因此,两者叠在一起形成的叠层材料的紧固孔加工的难度可想而知。为解决叠层材料制孔中出现的复材分层、撕裂,钛合金出口毛刺严重,切削温度高,刀具磨损快,加工精度难以保证等一系列问题,本文将超声椭圆振动加工技术引入其中,并对其进行了理论与实验研究。首先,本文研究了超声椭圆振动钻削的钻削机理,建立了刀具运动轨迹方程,从理论上阐述了其降低切削力、扭矩的原因。其次,设计、搭建了复钛叠层材料超声椭圆振动钻削钻削力测量实验平台,并通过非接触激光测量系统测量其钻尖振幅,为后续超声椭圆振动钻削与普通钻削复钛叠层材料的对比实验奠定基础。最后,利用上述实验平台,分别进行了碳纤维复合材料、钛合金超声椭圆振动钻削与普通钻削的对比实验。实验结果表明:与普通钻削相比,超声椭圆振动钻削复材时轴向力及扭矩均有明显下降,降幅分别为16%-25%和36%-44%,且超声椭圆振动钻削的平均轴向力曲线和扭矩曲线均较为平稳,表明超声钻削过程更为稳定;钻削钛合金时的轴向力比普通钻削下降40%左右,且振动钻削过程平稳,切屑厚度均匀,成节状,振动钻削的孔径精度和粗糙度均明显优于普通钻削,有效的改善了普通钻削钛合金制孔的难加工问题。

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