摘要
由于同时兼具多种材料的优异性能，碳纤维复合材料(CFRP)与钛合金叠层结构在航空航天工业得以广泛应用。CFRP/钛合金叠层结构常采用螺栓联接、铆接等机械联接方式结合，因此联接孔的加工质量和几何精度对于联接可靠性至关重要。螺旋铣孔是当前航空工业的主要制孔工艺之一，该工艺虽然可以解决传统钻削中的断屑排屑、冷却润滑等部分问题，但仍有两个突出问题亟待解决：一、由于组成叠层结构各材料物理力学性能的不同，它们的切削性能通常差异很大，在单一参数下难以保证制孔质量；二、刀具在叠层界面处要对两种材料同时进行加工，切削工况复杂，极易导致加工缺陷，且缺陷类型复杂。因此，如何在保证叠层结构各材料制孔质量的同时，获得良好的界面质量已成为叠层材料制孔的关键技术难题。 本文围绕上述CFRP/钛合金叠层结构螺旋铣孔技术难题，提出四种变参数螺旋铣孔工艺方案，在此基础上，通过试验分析了该叠层结构在不同变参数螺旋铣孔工艺下的轴向切削力、尺寸精度、内孔质量的变化规律，随后通过仿真与试验相结合的方法对界面微观缺陷形成机理进行了深入研究。论文的主要研究内容如下： （1）对CFRP和钛合金分别进行了三组单因素螺旋铣孔试验，以主轴转速、切向进给速度与螺距为变量。通过对切削力、孔壁粗糙度、孔口质量、孔径误差的综合考量，选取单一材料螺旋铣孔的适宜加工参数，为下一步变参数试验奠定基础。 （2）基于（1）中优化结果，从制孔顺序（CFRP/钛合金、钛合金/CFRP）与变参数位置（由CFRP层开始变参数、由钛合金层开始变参数）出发提出四种变参数方案。针对这些方案，开展了叠层结构变参数螺旋铣孔试验，使用Kistler测力仪、白光干涉仪以及超景深显微景获取其轴向切削力、孔壁粗糙度、以及孔径误差。通过对试验结果的对比分析，研究了不同变参数方案对CFRP/钛合金叠层结构螺旋铣孔加工效果的影响规律。 （3）将（2）中加工完成的工件沿内孔轴线进行剖切，通过超景深显微镜对叠层结构被加工孔的界面平整度、界面孔径差进行测量。然后将CFRP与钛合金分离，对界面处的CFRP分层区域面积与钛合金毛刺高度等界面缺陷进行测量。最后根据测量结果分析变参数方案对界面加工特征的影响。 （4）叠层结构微观切削仿真方法的建立。利用ABAQUS仿真软件对钛合金层和CFRP层进行建模，并根据不同变参数方案以及纤维方向建立叠层界面微观切削仿真模型。随后通过对比仿真和试验的界面孔壁微观形貌，验证了仿真模型的可靠性。 （5）采用有限元仿真与试验结合的方法，将不同方案下叠层界面处微观形貌进行对比分析，研究了变参数方案对叠层界面微观形貌的影响规律。并通过仿真结果对不同纤维角度和变参数方案下的材料去除形式、缺陷形成机理以及应力衰减模式进行了深入分析，进一步探讨了变参数铣孔时的叠层界面微观损伤机理。
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