碳纤维复合材料(CFRP)、钛合金(Ti)具有优越的理化性能,在航空制造领域得到了日益广泛的应用。CFRP/Ti复合结构通常用于飞机主承力部位,并采用螺接、铆接等机械连接,其制孔精度和品质直接影响飞机部件的连接强度和疲劳寿命。然而,CFRP呈各向异性、层间强度低,钬合金硬度高、导热性差、化学亲和性强,两者截然不同的材料特性使得CFRP/Ti复合结构的高效精密制孔技术成为当前航空工业亟待解决的难题。螺旋铣孔技术是近年来提出用于解决典型航空难加工材料制孔问题的有效途径。本文针对浙江大学自主研制的新型螺旋铣孔系统,从分析CFRP/Ti复合结构螺旋铣孔切削机理入手,建立三维切削力模型,并结合切削试验,对该系统的孔径自动控制、刀具变形补偿、叠层界面识别等关键控制技术展开研究。主要研究内容和创新点如下:首先根据螺旋铣孔切削机理分析切削参数、刀具几何形状与未变形切屑的关系,综合考虑刀具底刃、侧刃对被加工材料的切削作用,采用瞬时刚性力模型和整体刀具离散化方法,建立螺旋铣孔三维切削力模型。对CFRP、钛合金分别进行螺旋铣孔切削试验,采用平均切削力方法辨识模型系数,并验证不同切削参数下螺旋铣孔切削力模型的准确性。提出直驱旋转电机配合双偏心套筒调整刀具偏心距的新型螺旋铣孔实现机构,考虑不同工况下的变切削力干扰、公转运动导致的动不平衡性及系统参数不确定性,根据自适应鲁棒控制理论,设计偏心轴精确定位控制系统,实现制孔孔径自动调整。在不同刀具偏心距和公转速度下对CFRP和钛合金进行螺旋铣孔切削试验,结果表明该系统刀具偏心距调整平均误差和最大误差分别降低到0.5μm和1.6μm以下,满足航空结构件制孔孔径精度要求。为消除螺旋铣孔过程中刀具变形对孔径精度的影响,提出融合切削力模型预测和实时观测数据的径向切削力在线估计方法,基于等效直径悬臂梁模型计算刀具变形量,进而调整偏心距,实现刀具变形的实时补偿。刀具变形补偿试验表明,CFRP/Ti复合结构螺旋铣孔孔径误差较补偿前减小50%,单次进给即可满足IT9级精度要求,并且可避免切削力变化对制孔孔径精度的影响,当刀具磨损导致切削力增加到初始值2倍时仍能保证孔径精度。基于刀具进给系统动力学模型,设计带遗忘因子的自适应扰动观测器,对轴向切削力进行在线估计,采用移动线性回归算法识别切削力突变特征,从而获取CFRP/Ti叠层界面位置信息,为实现CFRP/Ti复合结构变参数制孔工艺提供关键技术保障。试验表明,在CFRP/Ti复合结构螺旋铣孔过程中,叠层界面位置识别误差可控制在±0.05mm以内,刀具以0.2mm/s的进给速度穿越叠层界面时控制系统可在±0.25s时间内获得其位置信息。最后,总结全文研究内容,并对下一步研究工作进行展望。