[发明专利]适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法

说明书

本发明提供了一种适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法。本方法在叠层材料钻削过程中对刀具和（或）工件施加上超声振动和（或）低频振动，根据钻削过程中不同的钻削对象，附加上不同的振动方式分别抑制各层的加工缺陷，获得每层材料的最优钻削效果。本方法通过数控系统对振动装置进行控制，可以实现叠层材料高低频复合振动钻削过程的自动化操作。本方法可以根据加工对象选择超声振动和（或）低频振动加工方式，避免了单一振动方式在加工碳纤维复合材料（CFRP）和钛（铝）合金叠层材料时难以同时兼顾的缺陷。

技术领域

本发明属于精密加工技术领域，尤其涉及一种适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法。

背景技术

随着我国航空业的发展，飞机制造领域对于高性能航空材料的需求越来越大。航空叠层材料是一种新型航空材料，它是以碳纤维复合材料（CFRP）和钛（铝）合金为组成单元的复合材料。碳纤维具有比强度、比模量高、抗疲劳性能好、耐热性能优良的特点。钛合金是一种重要的航空金属，机械强度大，质量轻。

实际用应时，航空叠层复合材料以铆接为主，所以需要对叠层复合材料进行孔加工。碳纤维硬度大，钛合金化学性质活泼，它们都会对刀具造成严重的磨损，磨损的刀具会造成切削力和切削热增大，当温度超过200摄氏度会熔化碳纤维复合材料中的树脂，造成黏刀，当温度继续升高时还可能会引燃切屑，造成安全事故。另外，这两种材料组合成叠层材料后，材料接合面处的力学特性和导热率会发生阶跃变化，使刀具受到阶跃的力热冲击，极易造成刀具崩刃和折断。除此以外，碳纤维复合材料和钛（铝）合金的叠层顺序对工序也有影响，当碳纤维复合材料在钛（铝）合金上面时，钻削碳纤维的时候，钛（铝）合金可作为碳纤维的垫板，此种情况下碳纤维复合材料不易分层。当碳纤维复合材料在钛合金下方时，碳纤维复合材料自身刚度小，层间剪切强度低，在没有支撑的条件下及易发生分层缺陷。

孔加工方式如水射流、高能粒子束和电火花等不适合于航空叠层材料孔的加工，因为碳纤维吸收液体后自身性能会变差，故实际工中均采用干切削；高能粒子束、电火花则会造成孔壁热损伤，所以叠层材料的孔加工仍主要为机械加工。

振动钻削是断续切削，这种工艺有利于断屑，并且振动钻削有利于降低轴向力和刀具磨损。超声振动钻削适合加工难加工材料，对于碳纤维材料，超声振动钻削利于切断毛刺，降低粗糙度并提高孔壁质量。但是超声振动钻削钛（铝）合金时会造成切削热的上升，所以一般钛（铝）合金宜采用低频轴向振动钻削。以往的振动钻削一般采用单一的振动辅助形式，无法应对不同叠层材料的特性，不利于获得好的加工质量。此外影响加工质量的参数有钻削参数、振动频率、振幅和振动形式等，参数众多，如采用传统的人工操作方式，则工序繁琐，不利于大批量的制造加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法，旨在解决现有叠层材料钻孔技术的不足。

本发明是这样实现的，适用于CFRP/钛（铝）合金叠层材料的复合振动钻削方法包括以下步骤：

步骤1：根据叠层材料中碳纤维复合材料层和金属层的叠放顺序和各层厚度，分析计算钻削过程钻头所处的几个特殊位置；

步骤2：如图1，设钻头（4）的进给行程为OABCD，钻头进给时，在从O到B和从C到D的过程中，被加工材料类型唯一，当钻头在金属层内钻削时，采用低频振动辅助钻削方式进行钻削；

步骤3：当钻头在碳纤维复合材料层内钻削时，采用超声振动辅助钻削方式进行钻削；

步骤4：钻头在从B到C过程中，即钻头在碳纤维复合材料层与金属层结合面处钻削时，同时采用超声振动和低频振动的复合振动辅助钻削方式进行钻削。

钻削时根据叠层材料的叠放顺序，可以调整钻削用量：当OB区间为碳纤维复合材料层时，增大进给速度；当CD区间为碳纤维复合材料层在时，减小进给速度并提高转速。