CFRP-Ti復(fù)合結(jié)構(gòu)螺旋銑孔自動控制技術(shù)研究.pdf

1、碳纖維復(fù)合材料(CFRP)、鈦合金(Ti)具有優(yōu)越的理化性能，在航空制造領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。CFRP/Ti復(fù)合結(jié)構(gòu)通常用于飛機主承力部位，并采用螺接、鉚接等機械連接，其制孔精度和品質(zhì)直接影響飛機部件的連接強度和疲勞壽命。然而，CFRP呈各向異性、層間強度低，鈦合金硬度高、導(dǎo)熱性差、化學(xué)親和性強，兩者截然不同的材料特性使得CFRP/Ti復(fù)合結(jié)構(gòu)的高效精密制孔技術(shù)成為當前航空工業(yè)亟待解決的難題。螺旋銑孔技術(shù)是近年來提出用于解決典型航空

2、難加工材料制孔問題的有效途徑。本文針對浙江大學(xué)自主研制的新型螺旋銑孔系統(tǒng)，從分析CFRP/Ti復(fù)合結(jié)構(gòu)螺旋銑孔切削機理入手，建立三維切削力模型，并結(jié)合切削試驗，對該系統(tǒng)的孔徑自動控制、刀具變形補償、疊層界面識別等關(guān)鍵控制技術(shù)展開研究。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　首先根據(jù)螺旋銑孔切削機理分析切削參數(shù)、刀具幾何形狀與未變形切屑的關(guān)系，綜合考慮刀具底刃、側(cè)刃對被加工材料的切削作用，采用瞬時剛性力模型和整體刀具離散化方法，建立螺旋銑孔

3、三維切削力模型。對CFRP、鈦合金分別進行螺旋銑孔切削試驗，采用平均切削力方法辨識模型系數(shù)，并驗證不同切削參數(shù)下螺旋銑孔切削力模型的準確性。
　　提出直驅(qū)旋轉(zhuǎn)電機配合雙偏心套筒調(diào)整刀具偏心距的新型螺旋銑孔實現(xiàn)機構(gòu)，考慮不同工況下的變切削力干擾、公轉(zhuǎn)運動導(dǎo)致的動不平衡性及系統(tǒng)參數(shù)不確定性，根據(jù)自適應(yīng)魯棒控制理論，設(shè)計偏心軸精確定位控制系統(tǒng)，實現(xiàn)制孔孔徑自動調(diào)整。在不同刀具偏心距和公轉(zhuǎn)速度下對CFRP和鈦合金進行螺旋銑孔切削試驗，結(jié)果

4、表明該系統(tǒng)刀具偏心距調(diào)整平均誤差和最大誤差分別降低到0.5μm和1.6μm以下，滿足航空結(jié)構(gòu)件制孔孔徑精度要求。
　　為消除螺旋銑孔過程中刀具變形對孔徑精度的影響，提出融合切削力模型預(yù)測和實時觀測數(shù)據(jù)的徑向切削力在線估計方法，基于等效直徑懸臂梁模型計算刀具變形量，進而調(diào)整偏心距，實現(xiàn)刀具變形的實時補償。刀具變形補償試驗表明，CFRP/Ti復(fù)合結(jié)構(gòu)螺旋銑孔孔徑誤差較補償前減小50％，單次進給即可滿足IT9級精度要求，并且可避免切削力

5、變化對制孔孔徑精度的影響，當?shù)毒吣p導(dǎo)致切削力增加到初始值2倍時仍能保證孔徑精度。
　　基于刀具進給系統(tǒng)動力學(xué)模型，設(shè)計帶遺忘因子的自適應(yīng)擾動觀測器，對軸向切削力進行在線估計，采用移動線性回歸算法識別切削力突變特征，從而獲取CFRP/Ti疊層界面位置信息，為實現(xiàn)CFRP/Ti復(fù)合結(jié)構(gòu)變參數(shù)制孔工藝提供關(guān)鍵技術(shù)保障。試驗表明，在CFRP/Ti復(fù)合結(jié)構(gòu)螺旋銑孔過程中，疊層界面位置識別誤差可控制在±0.05mm以內(nèi)，刀具以0.2mm/s