CFRP-Ti復(fù)合結(jié)構(gòu)螺旋銑孔自動(dòng)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(jī)主承力部位，并采用螺接、鉚接等機(jī)械連接，其制孔精度和品質(zhì)直接影響飛機(jī)部件的連接強(qiáng)度和疲勞壽命。然而，CFRP呈各向異性、層間強(qiáng)度低，鈦合金硬度高、導(dǎo)熱性差、化學(xué)親和性強(qiáng)，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(dāng)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(duì)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(jī)理入手，建立三維切削力模型，并結(jié)合切削試驗(yàn)，對(duì)該系統(tǒng)的孔徑自動(dòng)控制、刀具變形補(bǔ)償、疊層界面識(shí)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(diǎn)如下:
　　首先根據(jù)螺旋銑孔切削機(jī)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(duì)被加工材料的切削作用，采用瞬時(shí)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(duì)CFRP、鈦合金分別進(jìn)行螺旋銑孔切削試驗(yàn)，采用平均切削力方法辨識(shí)模型系數(shù)，并驗(yàn)證不同切削參數(shù)下螺旋銑孔切削力模型的準(zhǔn)確性。
　　提出直驅(qū)旋轉(zhuǎn)電機(jī)配合雙偏心套筒調(diào)整刀具偏心距的新型螺旋銑孔實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，考慮不同工況下的變切削力干擾、公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的動(dòng)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(jì)偏心軸精確定位控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制孔孔徑自動(dòng)調(diào)整。在不同刀具偏心距和公轉(zhuǎn)速度下對(duì)CFRP和鈦合金進(jìn)行螺旋銑孔切削試驗(yàn)，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(duì)孔徑精度的影響，提出融合切削力模型預(yù)測和實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)的徑向切削力在線估計(jì)方法，基于等效直徑懸臂梁模型計(jì)算刀具變形量，進(jìn)而調(diào)整偏心距，實(shí)現(xiàn)刀具變形的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。刀具變形補(bǔ)償試驗(yàn)表明，CFRP/Ti復(fù)合結(jié)構(gòu)螺旋銑孔孔徑誤差較補(bǔ)償前減小50％，單次進(jìn)給即可滿足IT9級(jí)精度要求，并且可避免切削力

5、變化對(duì)制孔孔徑精度的影響，當(dāng)?shù)毒吣p導(dǎo)致切削力增加到初始值2倍時(shí)仍能保證孔徑精度。
　　基于刀具進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)帶遺忘因子的自適應(yīng)擾動(dòng)觀測器，對(duì)軸向切削力進(jìn)行在線估計(jì)，采用移動(dòng)線性回歸算法識(shí)別切削力突變特征，從而獲取CFRP/Ti疊層界面位置信息，為實(shí)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(yàn)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(shí)別誤差可控制在±0.05mm以內(nèi)，刀具以0.2mm/s