CFRP/钛合金叠层超声辅助螺旋铣孔表面性状形成机理

With a significant growth in proportion of composite materials and titanium alloys in aircraft manufacturing field, the hole-making with small defects and high efficiency on the assembly of CFRP/Titanium alloy process becomes the key research topic. The microstructure, hardness layer, residual stress, micro mechanic behavior as well as the defects can be considered as the surface properties, which will affect the fatigue strength of the assembling parts. So far, the influence of hole-making processes on the surface properties is not clear, which will threaten the safety of working aircraft, and also limit the development of aviation manufacture. This project focuses on the hole-making of the assembly of CFRP/Titanium alloy. The processing of ultrasonic vibration assistant helical milling coupled with different way of vibration will be established. Using the experiment and numerical methods, the material removal mechanism of Titanium alloy and CFRP as well as the defects formation mechanism of the CFRP/Titanium alloy assembly will be expounded. The effect of small friction and small impact on the hole surface caused by the vibration will be studied. In addition, the control strategy for the surface properties of ultrasonic assistant helical milling of the assembly of CFRP/Titanium alloy should be obtained according to the relationship of hole-making processing and surface properties. The project will provide a new processing with high quality and high efficient and also the basic theory for aircraft manufacture.

复合材料和钛合金在飞机装配制造领域使用比例大幅增加，碳纤维增强复合材料/钛合金叠层结构低损伤、高效率制孔成为航空制造领域研究的焦点。孔加工表面性状与连接疲劳强度密切相关，表面微观结构、硬化层、残余应力、微观力学性能及缺陷都可归结为表面性状。目前制孔工艺对表面性状的影响机制尚不明晰，对飞机运行安全构成挑战，严重制约航空制造技术的发展。本项目以CFRP/钛合金叠层制孔为研究对象，建立耦合不同振动方式的超声辅助螺旋铣孔新工艺，结合制孔过程数值分析，阐明超声振动作用下的材料去除机理及叠层结构损伤演化机制。研究超声振动对孔加工表面的微动摩擦及冲击作用，揭示微结构变化对钛合金残余应力、硬化层以及CFRP制孔缺陷的影响机制，建立超声辅助螺旋铣孔工艺与表面性状的映射关系，揭示CFRP/钛合金叠层超声辅助螺旋铣孔表面性状形成机理，为提高飞机装配制孔质量提供一种新工艺及理论基础。

CFRP碳纤维复合材料/钛合金叠层结构孔加工表面性状（表面微观结构、硬化层、残余应力、微观力学性能及缺陷等）与飞机装配连接疲劳强度密切相关。CFRP/钛合金叠层结构低损伤、高效率制孔是航空制造领域的难点。. 本项目以钛合金、CFRP以及CFRP/钛合金叠层材料孔加工为研究对象，提出了纵向、纵扭超声振动辅助螺旋铣孔工艺。建立了超声振动辅助螺旋铣孔的运动学分析模型，研究了超声振动辅助螺旋铣孔材料去除机理。通过钛合金超声振动辅助螺旋铣孔，分析了制孔过程底刃和侧刃的切削速度、加速度以及切削刃与工件材料表面的接触状态。对超声振动辅助螺旋铣孔切削力的变化趋势进行了建模分析。研究了钛合金超声振动辅助螺旋铣孔的表面完整性，揭示了超声振动对孔表面几何精度及物理力学性能的影响机制。. 本课题进行了CFRP复合材料超声振动辅助螺旋铣孔试验研究，分析了复合材料孔加工的分层、撕裂和毛刺等损伤产生的机理。研究发现超声振动有利于增大铣刀侧刃的最大有效前角，增大侧刃的最大加速度，对孔表面产生了冲击作用。综上，纵振、纵扭超声振动辅助螺旋铣孔工艺显著减小了CFRP制孔损伤。. 本课题对CFRP/钛合金叠层结构进行了超声振动辅助螺旋铣孔试验研究。分析了振动对两种材料的去除机理及叠层界面的影响机制。研究了材料属性对叠层结构制孔质量的影响。超声振动可减小叠层结构孔加工轴向力、减小CFRP出入口毛刺及分层损伤程度，同时可以改变钛合金及CFRP孔表面完整性。课题研究了叠层结构界面结构对孔径误差的影响规律。结合有无振动条件下的刀具磨损特征，揭示了超声辅助螺旋铣孔切削机理。 . 综上，纵振、纵扭超声振动辅助螺旋铣孔新工艺显著改善了钛合金孔表面物理力学性能、减小CFRP孔表面损伤。本课题研究成果不仅对完善超声辅助切削加工理论具有重要的科学价值，更对航空CFRP/钛合金叠层材料的孔加工提供了新的工艺方法，对提高国家航空制造技术水平具有重要的社会意义和经济价值。