碳纤维复合材料/钛合金叠层结构机翼自动化制孔技术研究

摘要

叠层结构机翼单侧固定连接孔是整体式机翼装配连接的关键部位，其加工质量和加工精度直接影响整体式机翼装配连接的可靠性。该连接孔的加工包括三个工艺流程:首先对壁板和骨架形成的叠层结构制通孔，然后移开壁板，对内部骨架通孔进行扩孔，最后在扩孔的基础上锪椭圆窝。针对碳纤维复合材料(CFRP)壁板和钛合金材料的内部骨架形成的叠层结构机翼，目前通过钻扩铰和人工锪椭圆窝完成上述工艺流程的加工。该传统加工方式加工质量差，加工效率低，已不能满足整体式机翼装配制孔的要求。
　　为实现整体式机翼装配中关键连接孔的加工，本文研究了螺旋铣和椭圆窝自动化加工工艺，其中利用螺旋铣工艺完成CFRP/钛合金叠层结构通孔加工，利用椭圆窝自动化加工工艺在钛合金通孔上锪椭圆窝。为进行上述加工工艺的研究，创新性地引入了多功能末端执行器制孔系统，以保证高效、自动化制孔。
　　在利用多功能末端执行器制孔系统进行叠层结构螺旋铣孔加工中，钛合金切屑对孔壁的划伤作用导致CFRP孔壁加工损伤。为解决该质量问题，利用螺旋铣变偏心距加工的特点，提出了一种增加回程精加工工序的工艺改进策略，并设计实施参数正交试验实现了回程加工工艺参数优化。验证试验表明，改进后的工艺能够很大程度地改善叠层孔的加工质量，但对叠层孔的加工精度改善不明显。
　　为提高叠层结构螺旋铣孔的制孔精度，基于改进后的工艺，建立了径向力-孔径误差神经网络离线模型，并结合在线补偿的方法对叠层孔孔径误差进行了补偿。结果表明，上述补偿策略能将叠层孔的加工精度提高到H9级精度以内。
　　为实现钛合金通孔上的椭圆窝加工，本文进一步研究了椭圆窝自动化加工工艺。在椭圆窝加工技术研究中，构建了椭圆窝摆动中心计算公式，分析了造成椭圆窝窝型缺陷的误差源，并据此提出了一种基于窝型缺陷分析-反向抑制误差源的窝型参数调整策略。试验表明，采用调整后的窝型参数加工的椭圆窝，窝型尺寸理想，表面粗糙度达到Ra0.8，满足了整体式机翼装配制孔的要求。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 CFRP／钛合金叠层结构特点及其钻孔加工研究现状

1．2．1 CFRP／钛合金叠层结构特点及其加工特性

1．2．2 CFRP／钛合金叠层结构钻孔加工研究现状

1．3 螺旋铣制孔技术及其研究现状

1．3．1 螺旋铣加工原理及其工艺特点

1．3．2 螺旋铣技术国内外研究现状

1．4 椭圆窝加工技术及其研究现状

1．4．1 椭圆窝结构特点及加工原理

1．4．2 椭圆窝加工技术研究现状

1．5 论文研究内容和总体框架

第二章 一种集成螺旋铣、椭圆窝加工功能的末端执行器设计

2．1 多功能末端执行器总体介绍

2．2 多功能末端执行器机械结构

2．3 多功能末端执行器控制系统

2．3．1 控制系统硬件组成

2．3．2 控制系统软件组成

2．4 本章小结

第三章 碳纤维复合材料／钛合金叠层结构螺旋铣孔研究

3．1 多功能末端执行器制孔系统

3．2 碳纤维复合材料／钛合金叠层结构螺旋铣孔

3．2．1 复合材料孔壁质量缺陷形成机理分析

3．2．2 回程加工工艺改进策略

3．3 回程加工工艺参数优选

3．3．1 试验设计

3．3．2 试验结果分析

3．3．3 工艺参数优选

3．4 试验验证

3．4．1 切削力

3．4．2 刀具磨损

3．4．3 制孔质量

3．5 本章小结

第四章 碳纤维复合材料／钛合金叠层结构螺旋铣孔孔径误差补偿研究

4．1 孔径误差分析及修正方法

4．1．1 孔径误差分析

4．1．2 孔径误差修正方法

4．2 基于BP神经网络算法的孔径误差补偿策略

4．2．1 误差补偿可行性研究

4．2．2 BP神经网络算法

4．2．3 误差补偿策略

4．3 叠层螺旋铣孔孔径误差补偿

4．3．1 径向力-孔径误差神经网络离线模型

4．3．2 在线补偿

4．4 本章小结

第五章 钛合金板椭圆窝加工技术研究

5．1 椭圆窝结构特点及加工策略

5．2 椭圆窝窝型缺陷分析及调整策略

5．2．1 椭圆窝窝型缺陷分析

5．2．2 椭圆窝窝型调整策略

5．3 钛合金板椭圆窝加工试验研究

5．3．1 试验设计

5．3．2 切削力

5．3．3 椭圆窝质量

5．4 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献