碳纤维复合材料/钛合金叠层结构振动制孔技术研究进展

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作者 耿大喜 孟繁星 +3 位作者 孙哲飞 任绍磊 王子睿 张德远 《航空制造技术》 CSCD 北大核心 2024年第23期14-32,共19页

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)和钛合金(Ti6Al4V)以其卓越的高比强度、高比刚度、优异的耐腐蚀性和抗热冲击能力在航空领域广受青睐。然而在复/钛叠层结构制孔过程中,两种材料的显著力学性能差异常导致加工质量不佳和刀具磨损加剧。... 碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)和钛合金(Ti6Al4V)以其卓越的高比强度、高比刚度、优异的耐腐蚀性和抗热冲击能力在航空领域广受青睐。然而在复/钛叠层结构制孔过程中,两种材料的显著力学性能差异常导致加工质量不佳和刀具磨损加剧。本文综述了国内外学者在切削参数、先进刀具设计和切削环境方面现阶段的研究进展;总结近年来振动制孔作为先进加工模式在复/钛叠层结构制孔中取得了卓有成效的工艺效果,详细分析了复/钛叠层结构超声、低频振动制孔中切削力、切削热、制孔质量和刀具磨损等关键技术问题;概述了新型精强一体波动超声制孔技术;最后展望了振动制孔技术对叠层结构制孔技术的进一步推动。 展开更多

关键词 复合材料/钛合金叠层 超声振动 低频振动 切削力 切削温度 制孔质量 刀具磨损

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碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构制孔技术研究进展 被引量：10

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作者 白大山 陈五一 陈雪梅 《航空制造技术》 CSCD 北大核心 2022年第9期82-88,共7页

碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构已经被广泛地应用于航空航天及相关的工程领域。阐述了近年来国内外碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构制孔技术的研究进展与发展方向,重点剖析了叠层结构钻削机理、制孔缺陷、制孔质量影响要素等方... 碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构已经被广泛地应用于航空航天及相关的工程领域。阐述了近年来国内外碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构制孔技术的研究进展与发展方向,重点剖析了叠层结构钻削机理、制孔缺陷、制孔质量影响要素等方面。为实现碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构优质高效制孔加工,提出叠层结构制孔切削热建模仿真、制孔缺陷预测与制孔过程智能控制等未来研究方向。叠层结构制孔研究的现状分析与展望将会对航空装配领域的技术进步起到重要的指导作用。 展开更多

关键词 碳纤维增强复合材料(CFRP) 轻合金 叠层结构 钻削机理 制孔缺陷 制孔质量

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阶梯钻钻削碳纤维复合材料-钛合金叠层板刀具磨损试验研究 被引量：6

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作者 冷小龙 李鹏南 +2 位作者 邱新义 牛秋林 李常平 《宇航材料工艺》 CAS CSCD 北大核心 2018年第2期86-90,共5页

采用自主磨制的阶梯钻对碳纤维复合材料/钛合金叠层板进行钻削磨损试验,并与普通麻花钻进行对比,分析了阶梯钻刀具磨损过程。实验结果表明:阶梯钻主要磨损区域为横刃、第一后刀面和第二后刀面,其中第二后刀面磨损最为严重,相比普通麻花... 采用自主磨制的阶梯钻对碳纤维复合材料/钛合金叠层板进行钻削磨损试验,并与普通麻花钻进行对比,分析了阶梯钻刀具磨损过程。实验结果表明:阶梯钻主要磨损区域为横刃、第一后刀面和第二后刀面,其中第二后刀面磨损最为严重,相比普通麻花钻,阶梯钻产生的钻削力更小,阶梯钻刀具寿命远远高于普通麻花钻。 展开更多

关键词 碳纤维复合材料/钛合金叠层板 阶梯钻 刀具磨损 孔质量

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碳纤维增强复合材料/钛合金叠层结构钻削仿真研究 被引量：4

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作者 黄秋实 徐锦泱 林铁宇 《工具技术》 北大核心 2022年第5期10-15,共6页

碳纤维增强复合材料在航空领域常作为结构材料与钛合金组成叠层结构,能在减轻重量的同时利用两种材料的不同特点获得更优异的综合力学性能。本文应用有限元仿真方法模拟了叠层结构CFRP/Ti在CFRP→Ti和Ti→CFRP两种钻削顺序下的制孔过程... 碳纤维增强复合材料在航空领域常作为结构材料与钛合金组成叠层结构,能在减轻重量的同时利用两种材料的不同特点获得更优异的综合力学性能。本文应用有限元仿真方法模拟了叠层结构CFRP/Ti在CFRP→Ti和Ti→CFRP两种钻削顺序下的制孔过程,探究了不同钻削顺序对叠层结构钻削应力、钻削温度及制孔质量的影响规律。结果表明,在CFRP→Ti钻削顺序下叠层界面制孔质量更高,更能满足实际生产要求。 展开更多

关键词 碳纤维增强复合材料 钛合金 叠层结构 有限元仿真 钻削质量

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阶梯钻钻削碳纤维复合材料/钛合金叠层板的实验研究

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作者 冷小龙 李鹏南 +2 位作者 邱新义 牛秋林 李常平 《兵器材料科学与工程》 CAS CSCD 北大核心 2017年第6期5-9,共5页

采用自行研制的阶梯钻对碳纤维复合材料/钛合金叠层板进行钻削实验,并与普通麻花钻进行对比。分析钻削力和钛合金切屑形态对孔质量的影响,研究不同加工参数下的钻削力、孔径及孔出入口质量情况。结果表明:钛合金层钻削力随主轴转速的增... 采用自行研制的阶梯钻对碳纤维复合材料/钛合金叠层板进行钻削实验,并与普通麻花钻进行对比。分析钻削力和钛合金切屑形态对孔质量的影响,研究不同加工参数下的钻削力、孔径及孔出入口质量情况。结果表明:钛合金层钻削力随主轴转速的增大而减小,随进给量的增大而增大;相比普通麻花钻,阶梯钻产生的钻削力更小,钛合金切屑排出顺畅,钛合金层和碳纤维复合材料层孔径值更接近于钻头直径,钛合金层和碳纤维复合材料层孔出入口质量更好。 展开更多

关键词 碳纤维复合材料/钛合金叠层板 阶梯钻 钻削力 孔质量

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钻头几何角度对CFRP和钛合金叠层制孔的影响 被引量：4

6

作者 金晓波 康万军 +3 位作者 曹军 吕海洋 郑耀辉 王明海 《工具技术》 北大核心 2016年第11期76-79,共4页

针对碳纤维复合材料(CFRP)与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命低、出入口质量不易保证、影响加工质量和制孔效率等问题。以钻头螺旋角、外缘后角和顶角为主要研究对象,进行试验方案设计,揭示钻头几何角度对叠层结构制孔切削力及出入口质量的... 针对碳纤维复合材料(CFRP)与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命低、出入口质量不易保证、影响加工质量和制孔效率等问题。以钻头螺旋角、外缘后角和顶角为主要研究对象,进行试验方案设计,揭示钻头几何角度对叠层结构制孔切削力及出入口质量的影响规律,表明:碳纤维复合材料与钛合金叠层结构制孔的钻头最佳几何角度:螺旋角25°左右,顶角140°左右,外缘后角12°左右。 展开更多

关键词 碳纤维复合材料与钛合金叠层制孔 钻头几何角度 切削力 出入口质量

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复合材料叠层结构制孔技术 被引量：2

7

作者 唐臣升 王巍 《工具技术》 北大核心 2017年第4期83-86,共4页

针对碳纤维复合材料与钛合金叠层制孔质量差、效率低的问题,通过有限元仿真计算和切削试验相结合的方法,研究了碳纤维复合材料与钛合金叠层制孔切削机理,分析了面向刀具结构、几何参数和制孔工艺参数等因素,建立刀具结构、切削力、刀具... 针对碳纤维复合材料与钛合金叠层制孔质量差、效率低的问题,通过有限元仿真计算和切削试验相结合的方法,研究了碳纤维复合材料与钛合金叠层制孔切削机理,分析了面向刀具结构、几何参数和制孔工艺参数等因素,建立刀具结构、切削力、刀具磨损等数学模型,实现了碳纤维复合材料叠层制孔的刀具设计技术。 展开更多

关键词 碳纤维复合材料 叠层结构 制孔刀具 切削力 有限元仿真

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CFRP与钛合金叠层制孔钻头横刃结构优化 被引量：2

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作者 张云凯 郑耀辉 +2 位作者 高云峰 张钊 肖雪琦 《工具技术》 北大核心 2017年第3期76-79,共4页

针对碳纤维复合材料(CFRP)与钛合金夹层结构制孔过程中加工质量、制孔效率与钻头寿命低等问题,以钻头的横刃结构为主要研究对象设计试验方案,对钻头横刃结构进行优化,以提高加工质量、制孔效率与钻头寿命。结果表明:优化后的横刃结构加... 针对碳纤维复合材料(CFRP)与钛合金夹层结构制孔过程中加工质量、制孔效率与钻头寿命低等问题,以钻头的横刃结构为主要研究对象设计试验方案,对钻头横刃结构进行优化,以提高加工质量、制孔效率与钻头寿命。结果表明:优化后的横刃结构加工性能优于普通"X"形钻头横刃结构,不论是碳纤维复合材料部位还是钛合金部位轴向切削力明显减小。 展开更多

关键词 碳纤维复合材料与钛合金叠层结构制孔 钻头横刃结构 切削力 钻头寿命

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钻削工艺对复合材料/金属叠层板孔质量的影响 被引量：3

9

作者 冷小龙 李鹏南 +2 位作者 邱新义 牛秋林 李常平 《兵器材料科学与工程》 CAS CSCD 北大核心 2018年第1期47-51,共5页

采用整体硬质合金麻花钻对碳纤维复合材料/钛合金叠层板进行钻削试验,研究不同加工工艺下碳纤维复合材料层的孔径误差、孔入口撕裂因子、孔壁表面粗糙度、孔出口烧伤以及碳纤维复合材料孔壁形貌。结果表明,啄式钻削工艺下的钛合金切屑... 采用整体硬质合金麻花钻对碳纤维复合材料/钛合金叠层板进行钻削试验,研究不同加工工艺下碳纤维复合材料层的孔径误差、孔入口撕裂因子、孔壁表面粗糙度、孔出口烧伤以及碳纤维复合材料孔壁形貌。结果表明,啄式钻削工艺下的钛合金切屑排出更顺畅,避免钛合金切屑对孔的二次伤害。对比3种工艺,变加工参数啄式钻削工艺下的碳纤维复合材料层的孔径误差更小,孔入口处的撕裂因子趋于稳定值且小于1.05,孔壁表面粗糙度更小,孔出口没有明显烧伤。 展开更多

关键词 碳纤维复合材料/钛合金叠层板 切屑 钻削工艺 孔质量

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冷却润滑方式对CFRP/钛合金叠层制孔刀具磨损的影响

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作者 孟祥军 郭南 +2 位作者 陈燕 晏超仁 钱宁 《航空制造技术》 CSCD 北大核心 2023年第13期87-93,共7页

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)和钛合金组成的叠层结构由于其优良的机械性能在航空航天领域得到了广泛的应用。为了延长刀具寿命,本文在CFRP/钛合金叠层低频振动钻削试验中采用中心吹气、微量润滑技... 碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)和钛合金组成的叠层结构由于其优良的机械性能在航空航天领域得到了广泛的应用。为了延长刀具寿命,本文在CFRP/钛合金叠层低频振动钻削试验中采用中心吹气、微量润滑技术(Minimum quantity lubrication,MQL)、水基冷却液和液氮冷却方法,研究冷却润滑方式对钻削温度、轴向力与刀具磨损的影响。试验结果表明,使用中心吹气时加工温度最高,使用液氮时加工温度最低,液氮冷却时轴向力最大,而使用水基冷却液时轴向力最小。水基冷却液对延长刀具寿命的效果最好,达到了66个孔,而液氮冷却时最差,只有12个孔。刀具主要的磨损形式为粘结磨损和磨粒磨损。 展开更多

关键词 叠层材料 碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP) 钛合金 冷却润滑 刀具磨损

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CFRP/钛合金叠层构件陀螺铣孔方法 被引量：6

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作者 高延峰 方向恩 +1 位作者 熊俊 肖建华 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期851-861,共11页

陀螺铣孔方法在普通螺旋铣孔的基础上,通过将铣刀倾斜一定的角度,使其在自转的同时围绕孔中心轴线做圆锥摆动式公转,以减少轴向力、提高制孔质量。利用陀螺铣孔方法对碳纤维增强复合材料(CFRP)/钛合金叠层构件进行制孔,分析了陀螺铣孔... 陀螺铣孔方法在普通螺旋铣孔的基础上,通过将铣刀倾斜一定的角度,使其在自转的同时围绕孔中心轴线做圆锥摆动式公转,以减少轴向力、提高制孔质量。利用陀螺铣孔方法对碳纤维增强复合材料(CFRP)/钛合金叠层构件进行制孔,分析了陀螺铣孔方法下制孔入口和出口阶段的材料去除速率、刀具侧刃和底刃的切削比例、底刃速度零点等。与普通螺旋铣孔相比,陀螺铣孔方法不会引起制孔入口和出口阶段材料去除速率的突变、其侧刃和底刃切削比例变大、底刃速度零点不进行切削。通过试验研究了制孔轴向力、切削温度的变化情况,发现陀螺铣孔方法可显著减小轴向力和切削温度。利用扫描电镜(SEM)对孔壁的表面质量进行了观测,发现陀螺铣孔方法可以消除CFRP孔入口部位的分层现象,且CFRP和钛合金材料的过渡部位也未产生明显的损伤。研究结果表明,陀螺铣孔方法有助于提高CFRP/钛合金叠层构件的制孔质量,具有潜在的工业应用价值. 展开更多

关键词 叠层构件 碳纤维增强复合材料(CFRP) 钛合金 螺旋铣孔 陀螺铣孔

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振动辅助钻削对CFRP/钛合金叠层结构孔径阶差影响规律实验研究 被引量：2

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作者 陈冒风 张臣 +2 位作者 方军 陈卫林 随磊 《宇航材料工艺》 CAS CSCD 北大核心 2022年第3期88-93,共6页

在飞机部件装配过程中,CFRP/钛合金叠层结构的连接十分常见,而由于两种材料迥然不同的材料性能,导致制孔后存在孔径阶差,严重影响了CFRP/钛合金结构的疲劳强度。本文开展了低频轴向振动辅助钻削的正交实验,分析了低频振动辅助钻削工艺... 在飞机部件装配过程中,CFRP/钛合金叠层结构的连接十分常见,而由于两种材料迥然不同的材料性能,导致制孔后存在孔径阶差,严重影响了CFRP/钛合金结构的疲劳强度。本文开展了低频轴向振动辅助钻削的正交实验,分析了低频振动辅助钻削工艺参数与切削力和切屑形态的关系以及工艺参数对CFRP/钛合金孔径阶差的影响。结果表明,由于低频振动辅助钻削刀具的周期性进给,钛合金切屑由连续长切屑变为扇形短屑,减少了对CFRP的扩孔效应,钻削区域切削热降低,平均轴向力降低;另外,振幅和进给量对孔径阶差的影响较为显著,而主轴转速的影响较小,且孔径阶差随着振幅的增大先减小后增大,随着进给量的增大而增大。通过试验验证和分析,确定面向孔径控制的最优工艺参数组合方案:主轴转速为600 r/min、进给量为0.02 mm/r、振幅为150μm。 展开更多

关键词 振动钻削 叠层材料 碳纤维增强树脂基复合材料/钛合金 钛合金 工艺参数

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CFRP/钛合金叠层材料高低频复合振动制孔系统设计

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作者 严嘉文 郑侃 +3 位作者 董松 孙连军 孙振文 邵壮壮 《南京理工大学学报》 2025年第4期424-432,共9页

针对碳纤维增强复合材料(CFRP)与钛合金叠层材料传统制孔方式下钻削温度高、断屑难及加工质量差等问题,该文设计了一种高低频复合振动制孔系统。首先,基于低频振动钻削运动学模型对低频振动结构进行设计;其次,根据理论公式计算了超声换... 针对碳纤维增强复合材料(CFRP)与钛合金叠层材料传统制孔方式下钻削温度高、断屑难及加工质量差等问题,该文设计了一种高低频复合振动制孔系统。首先,基于低频振动钻削运动学模型对低频振动结构进行设计;其次,根据理论公式计算了超声换能器基本尺寸,并采用有限元分析方法完成尺寸修正;最后对高低频复合振动制孔系统进行测试。实验结果表明:低频振动振幅最高可达180μm;超声换能器的实际谐振频率为21376 Hz,与仿真频率相比偏差仅为0.36%,高频振动振幅为3.8μm;高低频复合振动制孔温度相较于传统制孔方式下降31.73%,验证了该文装备设计的正确性。 展开更多

关键词 碳纤维增强复合材料 叠层材料 高低频复合振动 制孔温度

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复合材料手工制孔刀具的寿命优化

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作者 高飞 张璐 +1 位作者 袁志敏 董楠 《工具技术》 北大核心 2022年第8期119-121,共3页

碳纤维复合材料(CF)具有非均质各向异性的结构特点,制孔时极易产生基体灼伤、毛刺、分层及撕裂等多种形式的损伤。针对复材手工制孔刀具规格多的问题,通过对纯CF以及CF/Al叠层材料制孔进行刀具方案优化,并引入匕首钻和PCD锪窝钻进行刀... 碳纤维复合材料(CF)具有非均质各向异性的结构特点,制孔时极易产生基体灼伤、毛刺、分层及撕裂等多种形式的损伤。针对复材手工制孔刀具规格多的问题,通过对纯CF以及CF/Al叠层材料制孔进行刀具方案优化,并引入匕首钻和PCD锪窝钻进行刀具寿命测试,大幅降低了刀具规格及数量、刀具寿命测试时间及耗资,对比前期刀具,其使用寿命平均提升1.96倍,同时提升了刀具质量和寿命的稳定性。 展开更多

关键词 碳纤维复合材料 CF/Al叠层 刀具寿命试验 手工制孔

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CFRP/Al叠层结构制孔缺陷的有限元仿真 被引量：7

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作者 黄树涛 王浩涛 张攀 《材料科学与工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第3期493-500,504,共9页

应用Abaqus有限元仿真软件,建立了CFRP/Al钻削有限元仿真模型,对CFRP/Al钻孔过程中碳纤维复合材料的撕裂、分层损伤及毛刺的特征和形成机理进行了仿真研究,并进一步分析了切削速度、进给量对CFRP/Al叠层结构制孔缺陷的影响规律。结果表... 应用Abaqus有限元仿真软件,建立了CFRP/Al钻削有限元仿真模型,对CFRP/Al钻孔过程中碳纤维复合材料的撕裂、分层损伤及毛刺的特征和形成机理进行了仿真研究,并进一步分析了切削速度、进给量对CFRP/Al叠层结构制孔缺陷的影响规律。结果表明:麻花钻横刃对碳纤维的拉伸作用是造成撕裂的主要原因;毛刺主要产生在纤维被切削时处于拉伸状态的区域,铝合金切屑对CFRP的划伤也是毛刺形成的原因之一;在CFRP/Al叠层结构制孔缺陷中分层损伤最显著,进给量和切削速度对出入口分层损伤成正相关且对入口处分层影响更大;在这种叠层结构中,铝合金板的支撑作用有效减小了碳纤维复合材料层出口的分层损伤。 展开更多

关键词 碳纤维复合材料 CFRP/Al叠层结构 钻削仿真模型 制孔缺陷

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飞机装配自动制孔刀具技术研究 被引量：3

16

作者 唐臣升 王巍 《航空制造技术》 2015年第6期43-46,共4页

碳纤维复合材料与金属材料构成的性能差异的叠层构件在飞机机翼和尾舵中应用广泛,叠层构件装配过程中需要大量的铆接或螺接孔。在这些航空产品装配制孔中,最佳的工艺是在碳纤维复合材料和金属材料叠层构件上同时加工出所需要的铆接或螺... 碳纤维复合材料与金属材料构成的性能差异的叠层构件在飞机机翼和尾舵中应用广泛,叠层构件装配过程中需要大量的铆接或螺接孔。在这些航空产品装配制孔中,最佳的工艺是在碳纤维复合材料和金属材料叠层构件上同时加工出所需要的铆接或螺接孔,这是确保叠层材料构件产品连接强度、刚度和安全性的主要手段。然而由于碳纤维复合材料层间结构特点和2种材料性能的巨大差异,制孔质量难以保证并且刀具磨损剧烈。特别是随着飞机自动制孔技术的发展，其关键技术之一就是要求在装配过程中采用一道工序同时高效加工碳纤维复合材料和钛合金以及铝合金等完全不同性质的材料。 展开更多

关键词 制孔 飞机装配 碳纤维复合材料 刀具材料 金属材料 层间结构 产品装配 材料性能 钻削 叠层结构

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