[00333815]一种叠层材料制孔加工轨迹规划方法

1.课题来源与背景 随着航空先进制造技术的进步与发展,以航空铝合金、钛合金、碳纤维复合材料（CFRP）为代表的典型航空高性能材料在飞机整体结构轻量化、低能耗、高可靠性等方面凸显优势,而以上航空难加工材料以机械方式组成的叠层结构在材料性能上优于其中任何单种材料。因此,在飞机机翼的叠层结构中,机翼壁板选择复合材料,骨架为铝和钛合金已经实现工程应用,并且钛合金和复合材材料在飞机结构中的用量呈持续提高的趋势。但是,由难加工材料组成的叠层结构的可切削性差,而飞机机翼装配在孔位精度、孔径精度、垂直度、表面粗糙度等方面要求极高,从而对飞机机翼叠层材料的制孔加工技术提出前所未有的挑战。目前,以降低切削力、有效避免复合材料出口分层缺陷为典型优势的螺旋铣制孔工艺被广泛应用于叠层结构加工中,该制孔技术克服了传统钻扩铰在加工效率低、制孔质量差、生产成本高方面的缺点。 作为一种先进的制孔技术,螺旋铣制孔加工轨迹由刀具自转及其螺旋状进给运动所决定,结合刀具与叠层结构特征,该新型加工形式体现了偏心性、间歇性和分阶段性。基于螺旋铣运动学特征分析,对飞机叠层材料制孔过程的关键阶段进行划分、并分别采用不同的工艺参数,以实现对加工轨迹的合理规划。该方法可有效避免叠层结构各组成材料在出口、入口与界面处的加工缺陷,提高叠层材料的整体加工质量,降低单孔孔径偏差与圆度,同时保证孔沿轴向的垂直度。以上针对叠层材料的制孔轨迹规划方法,可在刀具结构、叠层材料类型及加工工艺方面实现拓展。 2.技术原理及性能指标 飞机机翼叠层材料分阶段变参数螺旋铣制孔加工轨迹规划方法,首先考虑叠层材料的结构特征（叠层材料种类与叠层顺序）、材料属性与制孔过程中切削深度的变化,沿轴向将叠层材料的单孔加工过程划分为若干关键阶段;其次,采用传统铣刀,根据叠层材料切削性能选择合理加工参数,对飞机机翼叠层材料实施分阶段变参数螺旋铣制孔,并重复以上参数试验三次以上,测量多组若干关键阶段的制孔孔径;根据以上制孔孔径的测量值,分别计算多组若干关键阶段的孔径偏差与圆度,并建立二者与螺旋状轨迹特征参数（螺旋线直径、导程和螺旋角）之间的数学关系式;并针对不同关键阶段的孔径偏差与圆度变化规律,以出口加工阶段必须满足的等级精度要求为基本目标,其他加工阶段的制孔精度设定不同的目标系数,并随着距离出口阶段越远该系数越大;进而根据以上不同关键阶段的孔径偏差与圆度的目标值,实施螺旋状轨迹特征参数设计。最后,结合切屑几何特征、切削力变化规律及刀具磨损情况,获得螺旋状轨迹特征参数的最优值。 3.技术的创造性与先进性 该专利创新提出,飞机机翼叠层材料加工参数的合理性选择基于不同叠层材料的切削速度提出,以切削效率与出口加工质量为优化目标,面向不同加工阶段获得螺旋铣制孔优选参数,该参数设计过程可以加工阶段或材料组成为影响因素,或同时考虑两方面因素,并提出相应不同的参数优化方案。另外,螺旋状轨迹特征参数设计必须是在保证未变形切屑几何尺寸、形貌的合理性,切削力整体水平较低及刀具使用寿命延长的条件下所获得的螺旋状轨迹特征参数的最优值。 4.技术的成熟程度,适用范围和安全性 本发明适用于在数控机床与机器人制孔平台下实现螺旋铣制孔,该加工轨迹规划方法也可结合超声辅助振动,刀具设计可涉及几何结构、涂层材料、冷却系统多个方面。 本发明的有益效果是：采用螺旋铣制孔技术,通过对叠层材料进行分阶段变参数加工轨迹规划,以解决叠层结构出现“锥形孔”的加工精度一致性差的问题,同时有效解决复材制孔入、出口处撕裂、分层缺陷,提高单孔加工过程的整体制孔精度。同时,这将有利于降低整体切削力水平,以延长刀具寿命。 5.应用情况及存在的问题 本专利成果为解决叠层结构出现“锥形孔”的加工精度一致性差、复材制孔入、出口处撕裂、分层缺陷等问题提供了一种创新方案,有利于降低整体切削力水平,延长刀具寿命,为实现高质高效低成本加工提出了一条有效途径。 存在问题：由于加工质量与整体加工系统的多方面因素息息相关,在该加工轨迹设计方法的实际应用中,还需结合实际加工情况。 6.历年获奖情况 无。