樹(shù)脂基復(fù)合材料鉆削缺陷產(chǎn)生機(jī)理與控制策略研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)因其良好的綜合性能在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CFRP構(gòu)件與其他航空結(jié)構(gòu)件裝配時(shí)，大都需要鉆削、銑削等后續(xù)機(jī)械加工方式，以滿(mǎn)足裝配的精度要求，其中鉆削占后續(xù)機(jī)械加工總量的50％以上。然而，CFRP具有硬度高、層間結(jié)合強(qiáng)度低和各向異性等特點(diǎn)，使其成為典型的難加工材料。在CFRP鉆削加工中，以分層、撕裂、毛刺等為代表的加工缺陷，嚴(yán)重制約了CFRP構(gòu)件的整體性能和服役壽命。在當(dāng)前的研究中，尚缺乏針對(duì)CF

2、RP加工缺陷形成及抑制的有效理論支撐與系統(tǒng)方法。因此，研究CFRP鉆削加工缺陷形成機(jī)理，構(gòu)建加工缺陷控制理論支撐體系，建立加工缺陷控制策略，已成為CFRP加工研究領(lǐng)域值得關(guān)注的課題。
　　本文以CFRP為研究對(duì)象，研究加工缺陷在切削力與切削熱作用下的擴(kuò)展機(jī)制與控制策略。首先針對(duì)以分層為代表的CFRP加工缺陷，創(chuàng)新地應(yīng)用“研磨觀察法”對(duì)分層的三維形貌進(jìn)行了觀察，結(jié)合不同鉆削深度試驗(yàn)得到了鉆削過(guò)程中分層的變化趨勢(shì)，并發(fā)現(xiàn)了“隱性分層區(qū)

3、”的存在。進(jìn)而利用cohesive單元進(jìn)行復(fù)合材料切削微觀尺度有限元建模，分析不同鋪層角度的纖維斷裂形式。最終從理論角度對(duì)復(fù)合材料加工缺陷進(jìn)行分析，得出力與溫度對(duì)缺陷產(chǎn)生與擴(kuò)展的重要影響，為后續(xù)的切削力與切削溫度分析奠定基礎(chǔ)。
　　切削溫度對(duì)CFRP的性能具有直接的影響。針對(duì)切削溫度對(duì)CFRP加工缺陷的影響，對(duì)切削加工過(guò)程中的溫度分布特性及對(duì)表面質(zhì)量的影響進(jìn)行分析。借助傳熱學(xué)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)線(xiàn)熱源溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，分析不同鋪層角度CFRP

4、的散熱性能。利用半人工熱電偶測(cè)溫方法進(jìn)行切削溫度驗(yàn)證試驗(yàn)，并利用SEM分析0°、90°鋪層的復(fù)合材料在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度前后加工質(zhì)量的變化。最后分析不同切削溫度條件下切削力對(duì)CFRP加工質(zhì)量的影響，指出了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在CFRP切削加工中的重要影響。
　　對(duì)CFRP的切削力進(jìn)行精確的理論預(yù)測(cè)，是對(duì)加工缺陷進(jìn)行控制的前提?；贑FRP的力學(xué)性質(zhì)，利用試驗(yàn)觀察分析不同鋪層角度條件下的CFRP斷裂特征，并將其斷裂過(guò)程分為彎曲切斷及彎曲折斷兩

5、種形式。借助接觸力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、斷裂力學(xué)等相關(guān)理論，根據(jù)CFRP在切削過(guò)程中纖維變形區(qū)、前刀面滑移區(qū)與后刀面回彈區(qū)的受力情況，建立描述各區(qū)域的切削分力數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)CFRP切削力的有效預(yù)測(cè)，并進(jìn)行了切削力模型的試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)切削力理論預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建，為CFRP加工缺陷控制策略提供理論支撐。
　　基于CFRP的切削溫度與切削力分析，進(jìn)行CFRP加工缺陷控制策略研究，首先根據(jù)切削力理論預(yù)測(cè)模型完成CFRP鉆削刀具前角、后角對(duì)切削力