答辩博士：杨浩骏

指导教师：徐九华  教授

论文题目：CFRP/TC4叠层结构低频振动制孔基础研究

答辩委员会：

主席：李  迎  教授  南京理工大学

委员：谭业发 教授  中国人民解放军陆军工程大学

徐九华  教授  南京航空航天大学

何  宁  教授  南京航空航天大学

陈  燕  教授  南京航空航天大学

丁文锋  教授  南京航空航天大学

李    亮  教授  南京航空航天大学

秘书：郝秀清  副教授  南京航空航天大学

时间：2019年11月13日14:00

地点：南航明故宫校区15号楼341会议室

学位论文简介：

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）/钛合金（TC4）叠层结构的孔加工是飞机装配过程中最困难的工艺之一。研究表明低频振动制孔技术可以提高叠层结构的制孔质量、延长刀具的使用寿命，但其背后的作用机理研究尚处于起步阶段。有鉴于此，本文首先开展了低频振动制孔断屑排屑机理、材料去除机理等基础理论研究，并在此基础上开展了CFRP/TC4叠层结构低频振动制孔的加工损伤与刀具磨损研究。

论文完成的主要工作及取得的成果如下：

（1）基于对低频振动制孔过程中的振动位移曲线的理论分析，建立了低频振动制孔负载振幅的计算模型，以及负载条件下的低频振动制孔运动学模型，为低频振动制孔过程中的切屑形态预测、切削力预测奠定了理论基础。

（2）基于负载条件下低频振动制孔运动学模型，考虑切削厚度对切屑变形系数的影响，建立了低频振动制孔工艺下钛合金切屑扇形角的预测模型；提出了以单位时间内扇形切屑排出数量的平均值为评价指标的钛合金切屑排出顺畅度评价方法；使用排屑系数作为评价指标，研究了工艺参数对排屑顺畅度的影响，为揭示叠层结构制孔损伤机理与刀具磨损机理的分析提供指导。

（3）基于对低频振动制孔过程中材料去除行为的分析，将钻头的切削刃划分为三个区域，并结合钻头主切削刃弹性变形特征，建立低频振动制孔钻削力预测模型；建立了低频振动制孔临界断屑振幅预测模型，提出了低频振动制孔频转比的选择方案；开展了低频振动制孔钻削温度研究，阐明了加工参数对叠层结构钻削温度的影响规律。

（4）开展了CFRP/TC4叠层结构及其单层板的低频振动制孔试验，阐明了低频振动制孔工艺下，加工参数对CFRP入口撕裂损伤、CFRP孔壁质量、钛合金钻削出口毛刺的影响规律，阐明了提高叠层结构制孔质量的根本途径是保证TC4切屑的顺畅排出。

（5）针对CFRP/TC4叠层结构、CFRP单板、TC4单板，对比研究了低频振动制孔与传统制孔在钻削力、刀具磨损特征、制孔质量方面的差异；通过低频振动制孔材料去除过程中的运动学规律的分析，揭示了低频振动制孔工艺下刀具磨损形貌的形成规律。使用PCD钻头开展了叠层结构振动制孔试验，结果表明：相比硬质合金刀具，PCD刀具在低频振动制孔工艺下钻削叠层结构时，具有制孔质量高、刀具磨损慢的特点。

主要创新点如下：

（1）通过对低频振动制孔过程中振动位移曲线的理论分析，建立了低频振动制孔负载振幅的计算模型，以及负载条件下的低频振动制孔运动学模型，为低频振动制孔过程中的切屑形态预测、切削力预测奠定了理论基础。

（2）将切屑变形系数引入到低频振动制孔扇形角预测模型之中，实现了误差更小的碎化扇形角预测；提出了以单位时间内扇形切屑排出数量的平均值定量评价切屑排出顺畅程度的方法，实现了准确、便捷的低频振动制孔过程排屑质量的定量评价，揭示了加工参数对排屑顺畅程度的影响规律。

（3）揭示了钻头主切削刃弹性变形特点，明确了低频振动制孔过程中钻头不同区域的材料去除行为，建立了钛合金低频振动制孔钻削力计算模型，建立了低频振动制孔临界断屑振幅预测模型，深化了对低频振动制孔材料去除机理的认识。

（4）通过低频振动制孔材料去除过程中的运动学规律的分析，揭示了低频振动制孔工艺下刀具磨损形貌的形成规律，阐明了低频振动制孔工艺提高叠层结构钻削刀具寿命的根本原因。