● 摘要
飞机紧固孔是用于连接飞机各零部件，使之成为一体的装配连接孔。一架飞机的紧固孔有成千上万个，紧固孔的加工质量在极大程度上影响到了飞机的整体使用寿命和安全性能。叠层紧固孔的加工质量和加工效率是一个瓶颈问题，针对叠层难加工材料的高质量高效率加工问题，结合现有的超声振动加工和套料钻削的加工优势，本文提出了超声椭圆振动套切加工紧固孔的制孔方式，并且对超声振动套切制孔的钻削机理、排屑能力、切削力等特性进行了理论分析和实验验证。本文的主要内容有以下几个方面。首先，研制了超声椭圆振动换能器。阐述了椭圆振动换能器的设计方法，采用有限元软件对换能器进行优化设计，对换能器的输出性能做了测试。使用定制滑环将超声振动换能器与手钻这个目前使用最普遍的紧固孔加工工具结合，制作了超声振动套切加工紧固孔工具。并且设计了专用钻套，提高了制孔排屑能力。其次，对超声椭圆振动套切理论进行了基础研究。主要分析了超声椭圆振动套切制孔的运动模型，全面分析了振动套切制孔的运动过程。结合钻削特点，分析了超声振动套切的断屑性能，并且对超声振动套切的螺旋槽排屑能力与对工件料芯的排屑能力进行了详细分析。针对叠层材料紧固孔加工的重要参数轴向力，本文分析了影响超声椭圆振动套切的轴向力的主要因素，振动套切中刀具对工件材料的反拉特性和动态切削角度以及切屑厚度不断变化的特性，使得超声振动套切制孔的轴向力大幅降低。最后，根据超声振动套切制孔的理论研究结果进行了相关实验。在相同实验条件下，超声椭圆振动套切和普通套切相比，切屑颗粒较小、螺旋槽排屑能力较高。在普通套切中普遍发生的工件料芯堵屑现象，在超声振动套切加工过程中可以有效避免。切削力实验表明，超声振动套切制孔可以显著地降低钻削轴向力，对降低工人劳动强度和提高复材加工质量具有积极意义。超声振动套切制孔的钻削温度也普遍低于普通套切制孔，复材分层几率也大幅降低。本文对超声振动套切制孔进行了一些基础性研究工作，为以后对超声振动套切技术的进一步研究及工程应用提供一定的参考。