钛合金螺旋铣孔几何误差研究

作     者：高宇 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董志刚

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：螺旋铣孔 孔径几何误差 径向力 刀具挠曲变形 顺逆铣 

摘      要：螺旋铣孔是航空航天结构件装配中的新型制孔技术,与传统钻孔相比,针对难加工材料表现出加工效率高、成本低、适用性广等优点。由于螺旋铣孔的工艺特性,其刀具轴线与加工孔轴线不重合,导致加工过程中产生径向力无法抵消,引起刀具挠曲变形进而造成孔径几何误差。较大的孔径几何误差将对航空航天结构件的装配连接质量产生直接影响,进而降低飞机的安全性和可靠性。螺旋铣孔中孔径几何误差包括孔径尺寸误差和孔径形状误差,针对两种形式孔径误差问题,本文选取钛合金材料作为研究对象开展了螺旋铣孔孔径误差试验,分析了顺、逆铣及其它不同加工参数对孔径尺寸误差和孔径形状误差的影响规律,并对其产生机理进行了理论分析。主要研究内容如下:基于螺旋铣孔运动学原理对顺逆铣不同条件下的未变形切屑形状及材料去除过程进行了研究,根据经典切削力模型分别建立了顺铣和逆铣的螺旋铣孔径向力模型。通过切削力系数标定试验对径向力模型中各个系数进行标定,并通过试验验证了模型的准确性。最后对螺旋铣孔中径向力进行了分析,结果表明,在顺逆铣不同的条件下,刀具切削材料时产生的径向力方向相反。针对螺旋铣孔加工过程中存在的孔径尺寸误差问题,选择钛合金板材(7 mm)进行了螺旋铣孔尺寸误差试验,分析了孔径尺寸误差的影响因素、变化规律及产生原因,并通过线性拟合得到了孔径尺寸误差和径向力关系的经验公式。通过多元线性分析计算了各加工参数对径向力影响的规律,进而分析各参数对孔径尺寸误差的影响程度。研究结果表明,顺铣时,刀具受朝加工孔中心方向径向力的作用朝该方向发生挠曲变形,导致实际加工孔径小于名义孔径;逆铣时则相反。孔径尺寸误差随进给速度和导程的增加呈增大趋势,随切削速度的增加呈减小趋势。针对螺旋铣孔加工过程中存在的孔径形状误差问题,选择钛合金板材(25 mm)进行了螺旋铣孔形状误差试验和径向力试验,分析了顺逆铣及各加工参数对孔径形状误差影响的规律。分别对顺逆铣不同条件下刀具切削材料过程进行受力分析,研究了孔径形状误差产生的原因,最后利用特殊刀具进行了试验验证。结果表明,无论顺铣或逆铣,孔径均表现为入口大出口小的锥孔形状。随着制孔深度的增加,顺铣时刀具受朝加工孔中心方向的径向力逐渐增大,逆铣时刀具受背离加工孔中心方向的径向力逐渐减小,两种情况均导致加工孔径沿入口至出口方向不断减小。