CFRP_Ti叠层构件倾角专用刀具设计与切削性能研究.pdf

CFRP/Ti叠层构件倾角铣专用刀具设计与切削性能研

究

摘要

碳纤维增强复合材料（CarbonFibre-reinforcedPolymer，CFRP）和钛合金

因具备高比强度、高比模量和轻质等优良特性，在航空航天制造业领域得到广

泛应用。CFRP与钛合金均为难加工材料，导致制孔过程中易产生刀具磨损快、

切削温度高及CFRP易产生加工损伤等问题。倾角铣作为一种新型制孔工艺，

在螺旋铣孔运动的基础上将刀具倾斜一定的角度，并沿孔轴线方向进给。由于

该工艺的特殊加工方式，孔出、入口处及终孔加工任务由刀具端刃与周刃的过

渡刃完成，因此过渡刃易产生磨损集中现象，从而对孔加工效率及质量造成严

重影响。为了提高制孔质量，延长刀具寿命，本文通过切削仿真的方式对四种

具有不同过渡刃结构的铣刀进行切削性能评价，基于各切削刃的材料去除体积

比的分析，对过渡刃结构参数进行了优化。提出了双向倾角铣削CFRP加工策

略，设计并制造了锥弧型双向立铣刀，开展了不同过渡刃铣刀倾角铣削

CFRP/Ti叠层材料与单双向倾角铣削CFRP对比试验研究，主要包括以下几个

方面：

首先，基于倾角铣削的基本原理与实现方法，利用有限元方法建立了倾角

铣削三维仿真模型，进行了四种过渡刃铣刀倾角铣削CFRP/Ti叠层材料对比仿

真试验。通过仿真过程中切削力、切削刃接触压力分布与孔壁应力分布分析，

对四种过渡刃铣刀进行切削性能评价。

其次，推导了铣刀端刃与周刃上任意点运动轨迹方程，运用Solidworks三

维建模软件对倾角铣削过程中工件表面形貌、刀具自转一周的未变形切屑的形

状与厚度进行了模拟与分析，计算了铣刀端刃与周刃有效切削长度，分析了各

切削刃的材料去除体积比。在此基础上，对过渡刃结构参数进优化，选取最优

参数组合。

然后，提出双向倾角铣削CFRP加工策略，设计了CFRP倾角铣加工用锥

弧型双向铣刀。构建了锥弧型双向立铣刀几何模型、等螺距螺旋刃线，推导了

锥弧型双向立铣刀螺旋槽的磨削轨迹数学模型，磨制了刀具，并使用ZOLLER

刀检仪对刃磨成形的铣刀进行了检测。

最后，开展了四种过渡刃铣刀倾角铣削CFRP/Ti叠层材料与单双向倾角铣

削CFRP对比试验，对比分析了叠层材料倾角铣过程中的轴向力、制孔质量与

四种过渡刃磨损过程和孔出口处质量。结果表明，组合过渡刃铣刀磨损速率与

轴向力上升较为缓慢，叠层材料加工损伤得到明显改善，双向倾角铣削工艺条

件下，CFRP出口毛刺缺陷明显减少，刀具寿命延长。

I

关键词CFRP/Ti叠层构件；倾角铣；端周齿过渡刃设计；刀具磨损；有限元仿

真

II

Researchonthedesignandcuttingperformanceof

specialtoolfortiltanglemillingofCFRP/Ti

laminatedstructures

Abstract

Carbonfiberreinforcedcompositematerialsandtitaniumalloysarewidelyused

intheaerospacemanufacturingindustryduetotheirexcellentpropertiessuchashigh

specificstrength,highspecificmodulusandlightweight.CFRPandtitaniumalloys

aredifficulttomachine,resultinginfasttoolwear,highcuttingtemperatures,and

CFRPprocessingdamageduringtheholemakingprocess.tiltanglemillingisanew

hole-makingprocessthattiltsthetoolatacertainang