【摘要】：螺旋銑制孔技術(shù)與工業(yè)機器人相結(jié)合,可實現(xiàn)干切削工況下的高效制孔,并且在提高加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本方面較傳統(tǒng)鉆削體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。但是,航空難加工材料物化屬性特殊、切削性能差,使提高螺旋銑制孔質(zhì)量、避免出口缺陷與抑制刀具磨損變得極具挑戰(zhàn)性。為此,本文基于螺旋銑運動學(xué)特征,設(shè)計了一種專用刀具分屑結(jié)構(gòu),對其切削過程力學(xué)理論進行深入分析,并針對鈦合金(TC4-DT)、碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)及CFRP/Ti疊層材料,開展系統(tǒng)性試驗研究。首先,介紹螺旋銑技術(shù)及其刀具研究現(xiàn)狀,以航空難加工材料為背景,分析鉆削過程產(chǎn)生的質(zhì)量問題,指出螺旋銑制孔工藝的優(yōu)勢�；诼菪娺\動學(xué)分析,構(gòu)建運動學(xué)方程,對關(guān)鍵運動學(xué)矢量進行數(shù)學(xué)描述;應(yīng)用MATLAB實現(xiàn)運動軌跡仿真分析,明確切削范圍特點及其與自轉(zhuǎn)/公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速比(R1)、孔徑/刀具直徑比(R2)之間的關(guān)系。提出了螺旋銑制孔專用刀具設(shè)計方案。介紹分段式端刃、螺旋狀側(cè)刃和齒背冷卻孔結(jié)構(gòu)特征,重點闡述分段式端刃分屑結(jié)構(gòu)、四齒同結(jié)構(gòu)和兩兩對稱同結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計方案;以不同方案獲得的未變形切屑和加工表面形貌的仿真結(jié)果為依據(jù),實現(xiàn)專用刀具的端刃結(jié)構(gòu)優(yōu)化與數(shù)學(xué)描述;根據(jù)優(yōu)化后的刃型及其關(guān)鍵點的運動軌跡特征,綜合R1、R2對軌跡形貌的影響,進一步研究各參數(shù)對未變形切屑仿真結(jié)果的作用規(guī)律;通過不同參數(shù)下產(chǎn)生的切屑幾何形貌、切削力和制孔質(zhì)量,驗證專用刀具的分屑作用。針對螺旋銑制孔專用刀具,構(gòu)建了一個非線性切削力模型。通過建立用于描述切削量的坐標系,重點對不同刀齒在穩(wěn)定加工階段半自轉(zhuǎn)周期內(nèi)產(chǎn)生的切屑厚度、切削寬度進行數(shù)學(xué)描述與數(shù)值計算;采用平均力模型的方法,設(shè)計實施切削力系數(shù)標定試驗,對該系數(shù)進行線性擬合與計算;最后通過設(shè)計開展TC4-DT螺旋銑制孔試驗,實現(xiàn)對該切削力模型的驗證,并深入分析不同加工參數(shù)下的切削力變化規(guī)律。基于螺旋銑制孔專用刀具,針對航空難加工材料(TC4-DT、CFRP及CFRP/Ti疊層材料)進行了系統(tǒng)性試驗研究。通過對不同參數(shù)下的切屑幾何特征、切削力變化趨勢和制孔質(zhì)量變化規(guī)律進行深入分析,實現(xiàn)了單層TC4-DT、CFRP板螺旋銑制孔過程的參數(shù)優(yōu)化,進而闡述了刀具磨損特征及其對切削力和制孔質(zhì)量的影響;重點研究CFRP/Ti疊層材料螺旋銑制孔精度,闡述了 TC4-DT與CFRP平均孔徑與圓度的變化規(guī)律,進一步驗證了專用刀具的分屑優(yōu)勢。最后總結(jié)本文的主要研究內(nèi)容、提煉創(chuàng)新點,并對未來的研究工作提出展望。
[Abstract]:The combination of spiral milling and industrial robot can realize efficient drilling under dry cutting condition, and it has obvious advantages over traditional drilling in improving machining quality and reducing production cost. However, because of the special physical and chemical properties and poor cutting performance, it is very challenging to improve the quality of helical milling holes, to avoid exit defects and to restrain tool wear. In this paper, based on the kinematic characteristics of spiral milling, a special cutting tool chip structure is designed, and the mechanical theory of cutting process is analyzed in depth. Aiming at titanium alloy (TC4-DT), carbon fiber reinforced composites (CFRP) and CFRP/Ti laminated materials, To carry out systematic experimental research. Firstly, this paper introduces the research status of helical milling technology and its cutting tools, analyzes the quality problems in drilling process, and points out the advantages of helical milling process. Based on the kinematics analysis of spiral milling, the kinematics equation is constructed, the key kinematics vector is described, and the motion trajectory is simulated and analyzed by MATLAB. The characteristics of cutting range and its relationship with rotation / rotation speed ratio (R1) and diameter ratio of aperture to tool diameter (R2) are determined. The design scheme of special tool for spiral milling hole is put forward. This paper introduces the structural characteristics of segmented end edge, spiral side edge and cooling hole on the back of teeth, with emphasis on the simulation design scheme of split end edge chip structure, four teeth same structure and two symmetrical same structure. Based on the simulation results of non-deformable chip and machined surface topography obtained from different schemes, the end edge structure optimization and mathematical description of special tool are realized, and the trajectory characteristics of the optimized edge and its key points are analyzed. By synthesizing the influence of R _ 1 / R _ 2 on the trajectory morphology, the effects of various parameters on the simulation results of undeformed chips are further studied, and the chip geometry, cutting force and hole quality produced by different parameters are used to verify the chip-splitting effect of special cutting tools. A nonlinear cutting force model is constructed for the special tool for screw milling hole making. By establishing a coordinate system to describe the cutting quantity, the cutting width and chip thickness produced by different cutter teeth during the semi-rotation period of stable machining are described and numerically calculated, and the average force model is used to calculate the thickness of chip and the cutting width. The calibration test of cutting force coefficient is carried out, and the coefficient is linear fitted and calculated. Finally, the TC4-DT spiral milling experiment is carried out to verify the cutting force model. The changing law of cutting force under different machining parameters is also analyzed in depth. Based on the special tool for helical milling hole making, the systematic experimental study was carried out on the aviation difficult materials (TC4-DT,CFRP and CFRP/Ti laminated materials). By analyzing the geometric characteristics of chip, the changing trend of cutting force and the changing rule of hole making quality under different parameters, the parameter optimization of single layer TC4-DT,CFRP plate helical milling process is realized. Furthermore, the characteristics of tool wear and its influence on cutting force and hole making quality are expounded, and the accuracy of helical milling of CFRP/Ti laminated material is studied, and the variation law of average aperture and roundness of TC4-DT and CFRP is expounded. Furthermore, the chip splitting advantage of special cutting tools is verified. Finally, this paper summarizes the main research content, refines the innovation, and puts forward the prospect to the future research work.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG54

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本文編號：2270455