航空异质构件钻削刀具温度特性及制孔关键技术研究

【摘要】：随着现代航空航天、国防工业等重点发展行业的不断进步,对应用材料的性能要求越来越高,传统的单一结构材料已无法满足使用要求,由两种及两种以上不同材料组成的航空异质构件,通过不同材料物理力学性能间的协同作用,获得单一结构无法比拟的优越综合性能,可有效提高航空构件的结构强度和损伤容限,被广泛应用于航空航天领域。不同构件间通过钻削连接孔,利用螺栓或铆接进行装配,连接孔的加工质量直接影响装配精度,对飞机运行的稳定性和可靠性起到关键作用。目前已有研究中,针对航空航天领域应用较广的铝/钛合金异质叠层构件的制孔研究较少,缺乏钻削加工中刀具温度分布研究,难以制定合理的制孔工艺,为此,开展航空异质构件钻削刀具温度分布及制孔工艺研究,为实现航空结构件高效高质量加工提供关键技术支持。主要研究内容如下:分析了钻削刀具主切削刃上温度分布特征。基于Tool-foil热电偶系统,研究了钻削过程中沿刀具主切削刃上温度变化特性,得出沿主切削刃从钻心到外缘,刀具温度呈逐渐降低趋势,即靠近钻心处温度比外缘处高。利用嵌入式热电偶系统对该结果进行了试验验证,同时在运用共轭梯度法确定刀/屑间摩擦热能的能量分配系数的基础上,对刃上温度分布进行了理论解析和有限元仿真分析,验证了Tool-foil热电偶系统测量结果的准确性和方法的可靠性,为后续温度研究提供技术支持。研究了铝/钛合金异质叠层结构钻削加工特性。分别对单层及叠层结构进行了钻削试验,分析了钻削过程中加工参量的变化特性,比较了单层、叠层及不同钻削顺序下刀具刃上温度分布差异,建立了钻削铝/钛叠层时切削参数与刀具温度分布间的数学关系模型,得出钻削铝/钛结构(铝一→钛)时,靠近钻心位置的温度低于切削刃外缘温度,温度沿主切削刃从钻心到外缘呈上升趋势;但钻削钛/铝结构(钛→铝)时,结果与之相反。探讨了制孔后已加工微观组织结构的演化规律,发现已加工表面微观组织在热力耦合作用下发生严重塑性变形,晶粒被沿加工方向呈纤维化拉长,且该区域内发生两种相变:一是由密排六方的α相向体心立方的β相进行转变;二是由体心立方β相向次生α相(马氏体)进行转变。描述了钻削过程中切屑的三维形成过程,揭示钻削切屑的成形机理,研究了切削参数对切屑宏观及微观形貌的多尺度影响特性。评价了新型刀具结构对异质构件的钻削加工性能。阐述刀具断屑机理,设计并试制多尖刃钻头、阶梯刃钻头和双锥角钻头等新型刀具结构对铝/钛合金异质叠层结构进行钻削试验,研究了不同刀具结构对加工过程参量和刀具刃上温度分布的影响规律,发现无论哪种刀具结构,靠近钻心温度均大于外缘温度,且双锥角钻头沿主切削刃产生的温度趋势更为平缓。揭示了粘结磨损是不同刀具结构在钻削铝/钛叠层时主要的刀具磨损形式,通过综合比较,确定双锥角钻头更适用于铝/钛叠层加工。探讨了不同冷却方式对异质构件制孔特性的影响规律。阐明了MQL系统中的雾滴是在由毛细作用力产生的拉力和由工件已加工表面或切屑背面的相对运动产生的排斥力共同作用下到达接触面,形成润滑膜,减小了金属间直接接触面积,并与接触表面发生对流换热,实现其润滑冷却功能。对比分析了干切削、空冷和MQL冷却条件下钻削铝合金、钛合金和铝/钛叠层时刀具主切削刃上温度分布特性,得出在钻削铝合金和钛合金时,沿主切削刃从钻心到外缘刀具温度呈递减趋势,且空冷的冷却效果最好,但在钻削铝/钛叠层结构时,无论哪种冷却方式,沿主切削刃从钻心到外缘刀具温度呈递增趋势,且MQL冷却效果最好。粘结磨损和刀具破损是不同冷却条件下钻削铝合金和钛合金时刀具主要磨损形式。