碳纤维复合材料因其质轻、比强度大、比模量高等优异性能,广泛应用于航空、航天等领域。但因其力学性能呈明显的各向异性,在构件成型后机械加工中易出现分层、撕裂、毛刺等缺陷,是一种典型的难加工材料。同时,目前国内在复合材料构件数字化制孑L设备方面同国外差距较大。本文针对某企业单曲面结构的碳纤维复合材料TJB构件传统制孔效率低,精度无法保证的问题,结合国家自然科学基金、国家高技术研究发展计划项目相关科研工作,开展了碳纤维复合材料TJB构件数控制孔技术与装备的研究。论文首先在对碳纤维复合材料TJB构件结构特点及其曲面侧、平面侧法向制孔的工艺性进行了详尽分析的基础上,开展了碳纤维复合材料制孔参数优化试验,确定了刀具制孔耐用度。针对复合材料TJB构件共固化成型后不可避免产生的位置随机偏差以及在机床上装夹时的安装定位误差,由此给工字梁上的铆接孔和单曲面蒙皮法向孔采用数控制孔带来困难甚至无法进行的问题,提出了通过在线测量构件特征点位置偏差并据此修正已有数控制孔程序进而实现自动制孔的工艺方法,给出了特征点位置偏差测量原理、误差数学模型和数控程序修正策略；针对TJB构件曲面侧法向制孔提出了工件旋转点位测量方法,针对曲面侧制孔法线的测量问题提出了两点拟合法,为实现TJB构件的数字化加工奠定了良好的技术基础。在上述研究工作基础上,确定了复合材料TJB构件数控制孔设备的设计主参数；进行了加工设备总体方案设计,针对复合材料TJB构件的特点设计了专用双工位摆动夹具,并对其进行了运动学分析、静态、模态与谐响应有限元分析,结果表明该结构方案具有较好的静刚度和动刚度,能够满足其制孔精度要求。该设备通过配备马波斯RMP60在线测量系统,实现了位置随机偏差以及安装定位误差的在线测量与纠偏。为减少制孔过程粉尘污染,设计研制了一套具有工件局部压紧功能的随动吸尘装置,并对吸尘风力和压紧力进行了优化计算。对复合材料TJB构件数控制孔设备几何精度、位置精度和运动精度的检测结果表明,精度达到了设计要求。为验证复合材料TJB构件数控制孔设备的平面侧、单曲面侧法向制孔功能,进行了原理样件加工试验,结合在线测量系统和针对复合材料TJB构件安装定位误差和位置偏差自行开发的的在位修正软件,实现了复合材料TJB构件的高质量数控加工。论文研究成果不仅满足了企业对某复合材料TJB构件数控制孔的需求,而且为其它大型碳纤维复合材料构件的高质高效数字化加工提供了成功的应用示范。
