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碳纤维/钛合金烟囱超声椭圆振动辅助扩孔的可行性研究
摘 要
高质量螺栓孔的生产，特别是在碳纤维增强塑料/钛合金(CFRP/Ti)烟囱上的生产，对于航天工业中促进零件装配和提高零件机械完整性的制造过程至关重要。铰孔作为螺栓孔的一种强制作业方式，被广泛应用，以满足行业的严格要求。本文研究了超声椭圆振动辅助扩孔(UEVR)作为一种新型的CFRP/Ti堆叠孔精加工方法。本文对UEVR的刀具性能和孔质量进行了对比分析。实验结果表明，采用UEVR后，孔的质量得到了明显改善。通过对切削力、孔的几何精度和表面光洁度的监测，证实了这一点。UEVR的平均推力和扭矩分别降低了30%和60%以上。发现,在前45孔,更好的直径公差(IT7比IT8),小直径不同的碳纤维增强塑料和钛洞(约3 lm与12 lm),更好的几何误差在UEVR实现CR。至于表面光洁度,洞的平均粗糙度和表面形貌在UEVR明显改善。
关键词 碳纤维增强塑料/ Ti栈；铰孔；切削力；表面光洁度
目录
第1章 介绍 1
第2章 实验 4
2.2试验装置 4
2.3.实验程序 6
3.3.粗糙度和刀具磨损 11
3.4.孔表面完整性 13
3.6.芯片分析 16
结论 19
致谢 19
参考文献 20
附录 英文原文 24
介绍
目前，CFRP和金属合金堆叠多边结构，特别是CFRP/Ti堆叠结构，由于其高强度重量比、优异的耐腐蚀和耐热性能，被广泛应用于飞机的翼段和机身。[1]可以带来很多好处，如更好的机动性，减少燃料消耗和负载的增加。为了固定堆垛，需要产生大量用于各种目的的孔，如螺栓和铆接。由于安全原因，对孔公差和孔表面完整性的要求远高于其他行业，特别是对于主要分布在飞机机翼、尾翼等高机械承载部件上的螺栓孔。[2]
由于生产效率方面的优势，通常希望CFRP/Ti堆叠用一个钻头一次钻透。同时，在一次钻进过程中，也会带来许多弊端[2-7]。材料的弹性模量引起不同的弹性变形，从而导致沿整个堆叠孔的公差发生变化。[3]此外，当钛合金堆积在碳纤维增强塑料底部时，连续高温晶片通过CFRP切片会使加工后的CFRP孔质量下降。即使有广泛的研究来提高碳纤维增强塑料/金属合金的孔洞质量的堆栈,钻孔堆在使用单个钻一次打通仍然是一个具有挑战性的任务，这通常导致过大的孔洞(约IT10)和孔眼几何缺陷、热损伤和物理缺陷是钻井引起的损伤的特征[2、4、5]。因此，为了满足行业对叠层螺栓孔的严格要求，扩孔工艺被广泛应用于强制精加工作业中，以实现窄孔公差，消除钻孔引起的损伤[2,6]。在飞机装配中，螺栓孔强制精加工后进行粗钻是韧性钛合金和高磨料碳纤维钻进的一种折衷方案。例如，用碳化物扩眼器扩孔堆叠，然后CFRP和Ti粗略钻凿仍然广泛用于波音公司的CFRP / Ti堆叠钻探。尽管在其他行业传统的铰孔过程在足够的润滑条件下被广泛用于钻金属材料[8、9],在干或接近干条件下获得在飞机组装是必需的高质量的碳纤维增强塑料/ Ti堆叠螺栓孔的优秀的几何特征和表面光洁度仍然是一个挑战。在传统的CFRP/Ti堆叠孔干扩中，典型的缺陷包括孔的几何精度不稳定(孔径公差、圆度、圆柱度)、CFRP与Ti截面直径差大、孔表面粗糙度不稳定、CFRP/Ti界面[10]处损伤。这些螺栓孔的缺陷通常被认为是致命的，并会恶化加工部件的结构完整性[11-13]。根据Liu et al的研究[10],为了满足对大直径碳纤维增强塑料/ Ti螺栓孔(gt; U7.5毫米)的严格的行业要求,例如狭窄的孔公差(IT8),目前工业实践中，CFRP/Ti螺栓孔的表面粗糙度小，自由分层，加工余量和进给速度均严格控制的多步扩孔工艺是主流的精加工工艺。这种多步扩孔作业的典型缺点是生产率低。因此，为了提高CFRP/Ti螺栓孔的钻孔质量和工艺生产率，开发具有成本效益的干条件下精加工工艺是十分必要的。
近年来，超声振动辅助加工已广泛应用于碳纤维布、钛合金和碳纤维布/钛栈的钻进。旋转超细切削(RUM)作为一种非传统的钻进方法，已成功地应用于Ti[14,15]和CFRP[16-18]等低切削力、长刀具寿命、低表面粗糙度、可忽略Ti毛刺和CFRP分层的钻进中。后来，RUM被扩展到钻CFRP/Ti堆栈[19]。实验结果表明,与其他方法相比,碳纤维增强塑料的钻孔/ Ti栈,旋转超细切削(RUM)导致较低的切削力和碳纤维增强塑料表面粗糙度,小槽深度和孔尺寸变化,刀具寿命长,没有明显的Ti毛刺和碳纤维增强塑料入口分层,钛表面粗糙度的方法同其他一样。旋转超细切削(RUM)采用泵送冷却剂，可有效地洗去废屑，防止刀具堵塞。但是，飞机装配只能在干燥或接近干燥的条件下进行，这限制了旋转超细切削(RUM)在飞机装配中的广泛应用。为了提高干燥条件下的钻孔质量，在飞机装配上采用旋转的超微椭圆机械加工方式，采用了先进的技术，以减少切削力的方式，延长工具寿命，对刀具的干扰和改进，比常规钻孔更有效(20、21)。然而，在RUEM中使用的钎焊金刚石取芯钻头会导致孔精度和表面粗糙度较差。因此，精加工操作通常是强制性的，以满足要求的孔公差和表面粗糙度。从以往对超声椭圆振动辅助切割(UEVC)的研究[22-26]可以看出，UEVC方法可以较好地解决干燥条件下CFRP/Ti烟囱常规扩孔的典型缺陷。在[22]中，通过与常规切削和切削定向振动辅助切削(CDVC)的对比，阐明了UEVC切削力降低导致加工精度提高的原因，并通过实验验证了UEVC切削精度提高的原因。UEVC方法除了可以提高加工精度外，与CDVC相比，还可以获得更好的表面完整性。李等人[23]指出，当振动刀具离开工件的切削点时，由于刀具侧面的碰撞和摩擦，会破坏CDVC中的光洁面。他认为UEVC方法可以有效地避免这种碰撞问题。在难切削材料[24]轴向振动辅助扩孔中也发现了类似的刀面与被加工表面的碰撞。徐和张[25,26]的研究表明，CFRP在UEVC下的切削性能优于常规切削和CDVC，具有更好的去屑性、更少的刀具磨损和更好的CFRP表面完整性。然而，在他们的实验中，切割速度被控制在1 m/min。UEVC或CDVC的典型局限性是为了获得明显的超声振动效果，切削速度应控制在切削方向的振动速度以下。这个缺点会导致低效率。以实现工件与工件之间的分离
研究人员将高速切削刀具的进给方向振动应用于超声辅助车削(UAT)中，也提高了机床的表面质量[27]。
各种消息来源证实，高孔质量的CFRP/Ti叠层螺栓孔仍然是飞机装配制造工程师面临的挑战。据我们所知，对于复合式CFRP/Ti结构的精钻工作做得还不够，将超声椭圆振动辅助技术应用于机械CFRP/Ti叠层孔以获得更有利的切削条件的研究报道较少。本研究提出了一种新型的CFRP/Ti栈精钻方法(超声椭圆振动辅助扩孔，UEVR)，旨在研究超声椭圆振动对CFRP/Ti栈扩孔质量的影响。本文主要介绍了由于UEVR与传统扩孔方法(CR)的切削机理不同，CFRP/Ti叠层的扩孔质量发生了怎样的变化。本文将从切削力、刀具磨损、孔几何精度、孔表面粗糙度及缺陷、CFRP孔边界质量、芯片形貌等方面对UEVR下的切削行为进行研究。
- 实验
2.1 UEVR系统设备
如图1所示，自行设计的夹芯压电结构超声椭圆换能器由铰刀、前柱(铝合金)、两组正交的压电片(PZT)和后柱(不锈钢)组成。将两组PZT激发的弯曲振动综合起来可以得到刀端铰刀截面平面的椭圆模振动[20,21]。振动器由一个夹具支承在振动的两个节点上。为了实现刀尖处的谐振，调节70 mm的刀具悬垂度，对应的谐振频率为21.35 kHz。频率和振幅由最大输出功率为600w的超声电源控制。通过改变超声电源的功率百分比，可以调节频率的振荡幅度。本实验设计的换能器振荡幅值最大值为8lm。UEVR和CR过程分别通过开启和关闭超声波发生器来实现。
截面 A-A
椭圆振动轨迹
铰刀
第二组pzt
第一组PZT
后油缸
前油缸
工具中心轨迹
椭圆振动轨迹
图1所示 UEVR振动器原理图
2.2试验装置
在一台车床(HARDINGE HLV-V)上进行扩孔实验，UEVR系统由超声换能器和相应夹具组成，如图2所示。工件安装在车床主轴上，UEVR系统由三维测力仪支撑，夹在机床平台上。通过将铰刀送入旋转工件，实现了扩孔过程。该测力系统由三维测力仪、多通道电荷放大器、数据采集系统和计算机软件组成。动力计(型号9272,Kistler公司，温特瑟尔，瑞士)用于测量推力和扭矩。测量的电信号经多通道电荷放大器(型号5070,Kistler)放大。放大后的信号经A/D转换器转换后，由数据采集系统(型号5697,Kistler)进行处理。最后利用Dynoware软件在计算机上显示切削力信号的曲线。采样率设置为1khz。平均切削力用于表示铰孔时的切削力。工件为两层堆叠，由CFRP和Ti6Al4V板组成。CFRP层合板厚度为10mm，由56个单向层合板组成，层合板厚度为0.18 mm，按[45 /0 / 45 /90 / 45 /0]S的方向铺设高强度预制构件。使用的碳纤维增强塑料试样的纤维体积分数为56%，抗拉强度为1200 MPa，杨氏模量为145 GPa。厚度为10mm的Ti6Al4V工件退火后硬度为41 HRC，屈服
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