薄壁精密钻孔的变形、缺陷形成机理与控制方法研究

Thin-walled parts are widely used in lightweight structures, and the precision drilling of thin-walled hole is becoming a new manufacturing problem. The deformation of hole wall, local deformation of hole, thermal deformation due to low heat capacity, thin-wall vibration and correlation of inlet and outlet defects are significantly different from that of drilling thick-walled parts and drilling fiber reinforced composite plates, and related researches at home and abroad are lacking. In this project, formation mechanisms and characteristics of hole deformation, defect formation in drilling thin-walled parts, such as particle reinforced metal matrix composites, titanium alloy, high temperature alloy and high strength steel, will be studied. At the same time, the relationship between deformation and defect characteristics of thin-walled hole and the workpiece material, drill bit structure, process parameters will be studied, and reasonable drill bit structure and process parameters will be proposed. Mechanisms and effects of nesting ring bit, negative pressure and adsorption of toolholder center and ring pouring cooling fluid methods used to reduce the valgus torque and control distribution of workpiece temperature field will be studied. Then, the flexible supporting system will be established to suppress vibration and deformation of thin-walled parts, which can realize the purpose of reducing and controlling the deformation and defects of thin-walled hole. Therefore, this work has an important theoretical and practical significance for perfecting and development the machining theory and related science and technology.

薄壁件在轻量化结构中的应用日见广泛，其精密钻孔正在成为一个新的制造难题。薄壁钻孔时的壁面变形、孔的局部变形、薄壁热容量低导致的热变形、薄壁振动、入口缺陷和出口缺陷容易关联等，明显不同于普通厚壁钻孔和纤维增强复合材料板的钻孔问题，目前缺乏相关研究。本项申请提出针对颗粒增强金属基复合材料、钛合金、高温合金及高强度钢等典型薄壁件材料，研究薄壁钻孔变形、缺陷形成机理及其特征表征方法；建立薄壁钻孔变形、缺陷特征与工件材料、钻头结构、钻削工艺参数、薄壁单元几何尺寸的对应关系，提出适应薄壁钻孔的合理钻头形式和工艺参数选择原则；研究套料切削环形钻头、钻杆中心负压吸附和冷却液环形浇注冷却等方法减小外翻力矩，控制工件温度场分布的机理和作用，研究柔性辅助支撑方式对抑制薄壁振动及变形的影响，实现减小和控制薄壁钻孔变形及缺陷的目的。本项研究对促进切削加工理论的完善和相关科学技术的发展，具有重要的理论和实际意义。

薄壁件在轻量化结构中的应用日见广泛，薄壁精密钻孔的变形、缺陷是影响其加工质量的重要问题，本项目针对SiCp/Al复合材料、钛合金、高温合金、高强度钢等典型难加工材料薄壁件，应用有限元仿真和实验方法对钻削力、工件温度场、加工变形、钻孔边缘缺陷、动特性及控制薄壁钻孔变形和缺陷的方法等进行了系统研究，具体如下：.1）研究提出了SiCp/Al复合材料、TC4钛合金、GH4169高温合金、1410高强度钢等典型材料薄壁钻孔过程中钻削力和工件温度场的变化特点，提出了切削速度（转速）、进给量等钻削工艺参数对最大钻削力和工件底面最高温度的影响规律。.2）研究提出了工件几何尺寸、固定约束方式、钻头刃型和几何参数对钻削力的影响。建立了薄壁钻削温度有限元分析模型，开发了流量可调环形冷却装置，提出了冷却方式对钻削温度及工件底面温度场的影响。.3）建立了薄壁钻孔有限元仿真模型，提出了薄壁钻孔过程应力及变形的变化特点；研究提出了不同特性材料薄壁钻孔边缘缺陷的特点及形成机理；提出了SiCp/Al复合材料钻头进给距离与薄壁件下凸变形、钻尖底层材料破损临界厚度的关系以及切削速度和进给量对其影响；提出了塑性难加工材料薄壁钻孔钻帽的形成及其对钻削力、钻削温度、边缘缺陷形成的影响。.4）研究提出了切削速度（转速）、进给量对薄壁钻孔出入口缺陷的影响；提出了钻头结构、刃型对薄壁钻孔变形、缺陷及破损的影响；研究提出了薄壁件几何尺寸、固定约束方式对变形和缺陷形成的影响。.5）研究提出薄壁钻削过程工件变形特点，提出了切削速度（转速）、进给量、薄壁件几何尺寸、固定约束方式对薄壁钻孔变形及孔形精度的影响。.6）研究提出了钻削过程工件动力学特性的变化及辅助支撑对薄壁钻削过程钻削力、变形、振动和孔形精度的影响。.7）获得了不同特性典型材料薄壁钻孔合理工艺条件及控制薄壁钻孔变形、缺陷，提高钻孔精度的方法和途径。