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基于MQL的难加工材料螺旋铣孔工艺研究

作　者: 桂林景
导　师: 秦旭达
学　校: 天津大学
专　业: 机械工程
关键词: 螺旋铣孔微量润滑钛合金碳纤维复合材料刀具磨损加工孔质量
分类号: TG506
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

螺旋铣孔工艺作为一种新型高效的制孔技术，在航空制造业应用前景广阔，尤其适用于钛合金、碳纤维复合材料（CFRP）等难加工材料的高效制孔。在加工这些材料时，对刀具和冷却润滑条件就有了更高的要求，不但要求高效可靠，还要求安全环保。本文针对微量润滑（MQL）技术应用于CFRP、钛合金及其叠层材料螺旋铣孔加工的可行性进行了深入分析和研究，论文主要研究内容有：进行了不同冷却润滑条件下的钛合金螺旋铣孔温度场有限元仿真与试验研究。通过建立干切削、浇注切削、MQL三种条件下的摩擦和对流传热模型，为不同冷却润滑效果的评价提供理论依据，同时为有限元仿真提供相应的边界条件，并对三种冷却润滑条件下钛合金螺旋铣孔温度场进行有限元仿真。将仿真结果和试验结果进行对比，验证了有限元仿真和摩擦和对流传热模型的有效性。开展了MQL条件下钛合金螺旋铣孔工艺研究和高压油雾对CFRP材料影响试验研究。通过与干切削和浇注切削的对比，重点研究了MQL条件下，钛合金螺旋铣孔过程中切削力和加工孔表面粗糙度随切削参数变化的趋势；在恒定加工参数下研究了不同冷却润滑条件下刀具寿命以及刀具磨损机理；试验结果表明在钛合金螺旋铣孔过程中，微量润滑表现要远远好于干切削，在刀具寿命方面甚至要好于浇注切削，证明了钛合金螺旋铣孔过程中，MQL完全可以替代传统浇注切削。通过高压油雾喷射CFRP层上已加工孔，检测CFRP层加工孔分层和尺寸变化情况，发现高压油雾不会导致CFRP层上已加工孔尺寸和精度发改变。证明了微量润滑可以应用于碳纤维复合材料/钛合金叠层材料的螺旋铣孔加工。开展了MQL条件下CFRP/钛合金叠层构件螺旋铣孔试验研究。通过与干切削对比，重点研究了MQL条件下，叠层加工过程中切削力和加工孔质量随切削参数变化趋势，以及恒定加工参数条件下刀具寿命及刀具磨损机理；结果表明MQL可以有效减缓刀具磨损，显著提高加工孔出入口质量。以上结果证明了微量润滑技术应用于CFRP/钛合金叠层材料的螺旋铣孔加工的有效性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-15
  1.1 课题研究背景与意义  8-10
    1.1.1 课题来源  8
    1.1.2 课题的意义  8-10
  1.2 钛合金及复合材料孔加工研究现状  10-14
    1.2.1 钛合金孔加工研究现状  10
    1.2.2 复合材料孔加工研究现状  10-11
    1.2.3 复合材料/钛合金叠层孔加工研究现状  11-12
    1.2.4 螺旋铣孔技术优势及研究现状  12-13
    1.2.5 MQL加工研究现状  13-14
  1.3 本文的主要研究内容  14-15
第二章不同冷却条件下钛合金螺旋铣孔温度仿真与试验研究  15-33
  2.1 螺旋铣孔工艺运动学分析  15-16
  2.2 不同冷却润滑条件下热对流和摩擦模型  16-24
    2.2.1 切削热的产生  16-18
    2.2.2 不同冷却条件下热传导及边界条件  18-19
    2.2.3 冷却液和油雾与工件、刀具间的对流换热  19-22
    2.2.4 冷却液和油雾对切屑-刀具接触面间摩擦系数的影响  22-24
  2.3 不同冷却润滑条件下钛合金螺旋铣孔温度有限元仿真  24-27
    2.3.1 有限元模型的建立  24-25
    2.3.2 螺旋铣孔温度仿真结果与分析  25-27
  2.4 不同冷却润滑条件下钛合金螺旋铣孔温度测量试验研究  27-32
    2.4.1 试验仪器和设备  27-29
    2.4.2 钛合金螺旋铣孔温度试验测量装置  29-30
    2.4.3 试验条件和切削参数  30-31
    2.4.4 试验结果与分析  31-32
  2.5 本章小结  32-33
第三章基于MQL的钛合金及CFRP单板螺旋铣孔试验研究  33-49
  3.1 试验条件及方法  33-35
  3.2 不同冷却润滑条件下切削力对比  35-37
  3.3 不同冷却润滑条件下刀具寿命对比  37-39
  3.4 刀具磨损机理研究  39-44
  3.5 不同冷却条件下的工件表面粗糙度对比研究  44-45
  3.6 微量润滑对复合材料影响试验研究  45-48
    3.6.1 试验方案与条件  46-47
    3.6.2 试验结果  47-48
  3.7 本章小结  48-49
第四章基于MQL的CFRP/钛合金叠层螺旋铣孔工艺研究  49-68
  4.1 试验条件与试验方案  49-51
    4.1.1 CFRP/钛合金结构叠层顺序确定  49-50
    4.1.2 试验方案设计  50-51
  4.2 不同冷却条件下的切削力对比研究  51-54
  4.3 不同冷却润滑条件下叠层加工刀具寿命对比研究  54-56
  4.4 不同冷却润滑条件下叠层加工刀具磨损机理研究  56-60
  4.5 不同冷却润滑条件下的叠层加工孔质量对比研究  60-62
    4.5.1 叠层加工孔直径对比研究  60-61
    4.5.2 叠层加工孔圆度误差对比研究  61
    4.5.3 叠层加工孔中钛合金表面粗糙度对比研究  61-62
  4.6 不同冷却润滑条件下的叠层加工孔出入口质量对比研究  62-67
    4.6.1 钛合金出入口质量对比研究  63-65
    4.6.2 复合材料出入口质量对比研究  65-66
    4.6.3 不同冷却润滑条件下的叠层加工复合材料分层研究  66-67
  4.7 本章小结  67-68
第五章总结与展望  68-70
  5.1 总结  68-69
  5.2 展望  69-70
参考文献  70-74
发表论文和参加科研情况说明  74-75
致谢  75

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