第8届上银优秀机械博士论文奖——金奖 CFRP低损伤钻削制孔关键技术研究

<正>轻质高强碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是运载装备减重增效的优选材料,可显著提升装备性能。此类材料构件的装配连接需加工大量连接孔,且制孔损伤容限要求苛刻。但CFRP是典型的难加工材料,钻削制孔时,与金属等匀质材料相比,材料失效行为和去除机理迥异,易在出口区域产生严重损伤,对现有加工技术提出严峻挑战,制约CFRP的应用,限制装备性能提升。本文研究CFRP的切削机理和温度影响规律,提出合理控制切削力,降低切削温度影响的方法,研发钻削刀具和工艺关键技术,实现CFRP低损伤钻削制孔。1)建立了CFRP切削加工中单侧弱约束区域材料的单纤维切削和刀具/纤维接触的理论模型,表征了钻削出口材料的切     

碳纤维增强树脂基复合材料切削机理研究

碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced plastic,CFRP）在细观尺度上由纤维、树脂及界面不同相组成,在宏观尺度上呈层叠特征,具有非均质性和各向异性。CFRP切削过程的实质是在切削力、热共同作用下同时去除高强度纤维和低强度树脂的复杂过程,极易出现加工损伤。抑制加工损伤的前提是准确揭示CFRP切削机理,而揭示其切削机理的关键是分析材料去除过程。由于纤维是复合材料内部承受主要载荷的组成相,材料的去除过程主要由纤维的断裂过程决定。因此,通过分析切削过程中纤维的受力状态,以双参数弹性地基梁理论为基础,建立了虑及纤维所受法向及切向约束,且兼虑树脂及界面温变特性的单纤维切削模型,可准确表征纤维实际受力状态,实现纤维断裂过程的准确求解。研究发现：切削深度和纤维角度影响纤维变形深度,即切深越大,纤维变形深度越大,更易产生加工损伤;随着纤维角度增加,纤维变形深度减小。同时,为解决单纤维切削模型难以直接验证的难题,利用其求解得到宏观切削力理论值,通过与试验值对比,间接验证了单纤维切削模型的正确性。同时与未考虑被切削纤维所受切向约束和树脂及界面温变特性时相比,同时考虑这两个因素可使CFRP宏观切削力计算精度平均提升20%。所建立的单纤维切削模型不仅能够从细观尺度准确揭示CFRP去除机理,而且可为后续有关损伤抑制的研究提供理论依据。     

CFRP圆管表层纤维铺向对钻削质量的影响研究

由碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）制成的圆管在钻削加工时，圆管表面与刀具相交形成相贯线形式孔边缘轮廓，随着刀具切削刃旋转至轮廓较低点过程中被切削材料的减少，切削刃外缘处从材料中切出，纤维在切削速度方向上为无未切削材料支撑的弱约束状态；随着切削刃旋转至较高点过程中被切削材料的增多，切削刃外缘处又切入材料，切削厚度的增加将带来更大的切削力，纤维与树脂基体之间更易开裂。文中对CFRP圆管钻削过程中切削刃切入、切出过程进行分析，得到其对入口、出口损伤的影响规律，通过实验分析了钻削具有不同表层铺层方向的CFRP圆管中切入、切出过程对入口、出口损伤的影响程度。结果表明，在钻削入口处曲面特征下切削刃切入、切出不同纤维铺向条件下的纤维时，产生损伤的角度范围与损伤面积均会增加，与切出过程相比，切入过程会造成更严重的毛刺、撕裂损伤。钻削出口处CFRP圆管的曲面特征对分层损伤并无显著影响。     

CFRP复合材料铣削表层损伤形成机制分析

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer, CFRP)以其轻质、高强等优点,已成为高端装备的优选材料。该材料在固化成型之后,仍需大量的边缘、盲窗口、异形轮廓等铣削加工以满足连接装配要求。然而,这类材料极易在表面产生毛刺、撕裂等加工损伤,严重影响构件的承载性能。阐明铣削加工中CFRP表层损伤的形成机制,用以指导铣削工艺的优化,是实现其高质量加工的关键。研究通过四种典型角度CFRP单向板的铣槽试验,从表层损伤分布形式及未切断纤维长度两个方面阐明了纤维切削角、刀刃钝圆半径及铣刀运动特点对CFRP铣削加工表层损伤的综合影响机理。研究表明:纤维切削角是影响CFRP表层加工损伤形成的关键因素。当其为锐角时,在大刃圆半径影响下易由无损伤状态向毛刺多发状态过渡,当其为钝角时损伤分布不受刀刃钝圆半径影响,表层损伤集中分布在90°～135°之间,为毛刺与撕裂共存形式。而铣刀运动特点造成了纤维切削角的连续动态变化,在易形成损伤的区间内引起损伤的动态累积,最终决定了未切断纤维长度。在此基础上,提出可有效抑制CFRP侧铣加工表层损伤的方法,并通过试验验证其有效性,为后续有关加工损伤抑制的研究提供基础。     

CFRP/Al叠层材料二维正交切削过程数值仿真

由于CFRP与Al合金材料之间的差异性,对其构成的叠层材料的加工带来巨大挑战,同时由于实验研究的高成本、时间消耗以及计算机技术的高速发展,数值仿真成为研究切削过程的有力方法。将三维钻削过程简化为由不同的本构模型和损伤准则建立的2D正交切削宏观有限元模型,研究了切削顺序、进给速度、刀具前角对45°纤维角CFRP/Al合金叠层材料切削力和CFRP切削损伤的影响。仿真结果表明:CFRP→Al切削顺序优于Al→CFRP切削顺序。进给速度对切削过程中切削力和切削损伤的影响高于刀具前角。当刀具前角大于5°时,增大刀具前角对45°单向CFRP的切削力和加工后表面损伤影响不显著。     

考虑左旋切削刃切削连续性的碳纤维增强树脂基复合材料铣削研究

采用右旋切削刃铣刀加工碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）时，纤维层受单向轴向力作用而易产生分层、毛刺等损伤，采用左右旋切削刃共存的多刃微齿铣刀对纤维层施加双向轴向力能有效抑制损伤，但如何保证每层纤维都受到左右旋切削刃的切削作用成为抑制损伤的关键。以多刃微齿铣刀为研究对象，通过设计不同的分屑槽螺旋角，获得左旋切削刃切削面积连续、重叠及未连续三种类型的铣刀。通过实验研究发现：切削面积连续时，CFRP加工表面有少量毛刺及翻边；切削面积重叠时，CFRP加工表面无毛刺及撕裂损伤，效果最好；切削面积未连续时，加工表面有大量毛刺和撕裂损伤；此外，表面粗糙度值会随着分屑槽螺旋角的增大而增大。     

基于CFRP切削过程仿真的面下损伤形成分析

由于碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)宏观上呈现非均质、各向异性,细观上表现为纤维和树脂的特殊混合形态,导致其制件加工过程中极易产生分层、开裂等损伤,严重影响其制件的加工精度及承载性能。研究CFPR加工损伤产生机理并以此降低加工损伤是提高其加工质量的关键。基于宏观各向异性本构、Hashin失效起始准则及损伤演化,建立了可实现任意纤维角度单向板连续动态切削过程仿真分析的直角切削有限元模型,分析了任意纤维角度CFRP单向板连续切削过程面下损伤,得到了纤维角度、切削参数、刀具结构对面下损伤深度的影响规律。具体结果:纤维角度为影响面下损伤的主要因素,随纤维角度增大,切削力增大同时面下损伤深度也明显增加;面下损伤的主要原因为切削力过大导致的基体破坏及扩展;对于135°单向板面下损伤深度随刀具前角增大呈先增大后减小的趋势。     

基于热力耦合仿真的CFRP直角切削机理研究

直角切削是航空航天领域纤维增强复合材料CFRP加工性能分析的重要手段。通过有限元仿真的方式,考虑切削热的影响,以直角切削的表现形式模拟CFRP材料的加工过程,分别对纤维方向角为0°,45°,90°,135°的直角切削模型进行动态仿真分析。采用Hashin损伤准则及其损伤演化准则定义材料的失效,在模拟热力耦合切削过程时将工件单元类型选为温度—位移耦合型,输出仿真结果,使用ABAQUS软件的后处理模块处理得到不同纤维方向角的加工模型的温度云图与应力云图,对其所表现出的各向异性进行了探讨。对建立起的CFRP切削仿真结果进行分析,将切削热作为比对标准,分析切削力—切削热的关联性。     

基于三维多相有限元的CFRP细观切削机理研究

为深入揭示碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic/polymer,CFRP)切削机理,针对目前宏观单相有限元方法无法直观体现纤维和基体的失效形式、切屑类型等问题,借助数值仿真方法建立了CFRP直角切削的三维多相有限元模型。测量刀具刀尖形貌,根据刀具和CFRP设计数据提取CFRP纤维、基体细观几何信息,建立直角切削细观几何模型;基于定义材料本构用户子程序(User subroutine to define material behavior,VUMAT)分别定义纤维和基体的材料本构(弹塑性、失效准则、损伤演化方式),对不同纤维方向角的三维多相CFRP直角切削模型进行仿真分析;设计直角切削试验对仿真结果进行对比验证。仿真结果直观地展示了基体和纤维的失效形式、切屑形成过程、不同情况下切削亚表面损伤深度,通过各种情况下切削力数据的分析,揭示了切削力随纤维方向角的变化规律,并通过试验验证了该有限元建模仿真方法的有效性。     

CFRP高速铣削渐进损伤切削力模型研究

基于VUMAT子程序编写三维Hashin失效准则、材料刚度退化,采用Abaqus/Explicit建立求解CFRP高速铣削渐进损伤切削力模型,并通过相同实验参数进行验证,分析了纤维方向对铣削过程中切削力、应力以及材料失效的影响机制。结果表明,CFRP高速铣削切削力实验值与仿真值误差小于5%,说明渐进损伤模型可靠性较高;纤维方向对切削过程中切削力和应力有显著影响,切削力与应力都遵循规律:45°90°0135°,不同角度切削力与应力差异主要是由纤维强度各向异性以及纤维受到刀尖不同类型作用力导致的。此外,切削过程中材料损伤是渐进发生的,纤维角度对材料失效也有重要影响,其中45°方向纤维失效规模最大,135°方向纤维失效规模最小。     

碳纤维增强复合材料铣削加工刀具磨损研究

对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)开展了铣削试验,并对刀具不同磨损形式进行观察,讨论了金刚石涂层刀具磨损机理。结果表明,CFRP铣削加工法向切削力和切削温度随着刀具磨损而逐渐增大,而切向切削力却逐渐减小。随着切削温度的升高,树脂基体的流动性增加,降低了树脂基体对碳纤维的把持力,同时90°和135°铺层方向树脂涂覆现象加剧。金刚石涂层刀具的主要磨损形式为破碎的碳纤维颗粒和树脂基体对刀具持续不断的磨损和冲击作用而形成的磨粒磨损,主要为刃口和刀尖的微崩刃、后刀面涂层磨耗和涂层裂纹扩展导致的涂层剥落。     

基于运动学及力热分析的CFRP超声振动辅助螺旋铣孔质量影响机制

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer/plastic,CFRP)因其较高的比强度、耐腐蚀性、耐疲劳性等优异性能,被广泛应用于航空航天领域,但作为各向异性的难加工材料,制孔过程易产生损伤.针对CFRP超声振动辅助螺旋铣孔质量为研究内容,首先建立了轴向超声辅助螺旋铣孔的运动学方程,对与孔壁接触的侧刃的切削轨迹、速度、超声辅助螺旋铣孔过程侧刃的有效前角进行了求解.分析了有无超声振动条件下CFRP孔表面的纤维断裂及材料去除机理,在切削角度为0～45°范围内,螺旋铣纤维主要承受拉伸应力,而超声辅助螺旋铣条件下纤维承受变向剪切作用,纤维易断裂且与基体脱粘现象显著降低.此外,研究了工艺参数(轴转速、螺距、切向每齿进给量)对CFRP超声振动辅助螺旋铣孔切削力和切削温度的影响规律.结合切削力、热、切削刃与刀具的相对位移、运动速度及有效前角的变化,分析了工艺参数对毛刺、分层损伤及出入口孔径的影响机制.研究表明由于超声振动的存在,工艺参数影响刀具与工件的接触及分离属性、刀具的有效前角,从而影响切削过程中的力、热的变化,进而影响制孔质量.     

涂层刀具高速铣削碳纤维复合材料的铣削力研究

由于碳纤维复合材料(CFRP)的各向异性,纤维的铺层方向对其整体性能有重要的影响。本文采用斜角自由切削方法对具有12种不同纤维方向的T800、T700和T300碳纤维复合材料的切削力进行了试验研究,得出了CFRP单向层合板在不同基体类型和不同纤维方向下切削力的变化规律,并分析了纤维结构对切削力的影响机理。结果表明:基体类型对切削力的影响均匀稳定,无方向性;纤维方向对切削力的影响具有显著的方向性,对切削力影响的强弱关系为F_XF_ZF_Y。     

材料类型对切削加工表面残余应力的影响研究

为了研究不同材料对切削加工表面残余应力的影响规律,利用有限元模拟技术,设计了钛合金、铝合金、不锈钢及镍合金的切削加工仿真试验。结果发现:钛合金的切削力呈高幅值波动,而镍合金的切削力最大,但两者的切削温度接近,且最大,但两零件表层约0.1mm内,由表至里的残余应力表现为拉-压应力,且大小相当;铝合金的切削力和温度最小,表层主要呈现为残余压应力,但较小;不锈钢表层则主要表现为残余拉应力,且较大,达到350MPa。     

C/SiC复合材料超声扭转振动铣削抑制损伤产生的机理

传统铣削加工碳纤维增强碳化硅(C/Si C)复合材料极易产生加工损伤,而超声振动加工技术是切削难加工材料的理想方法之一。为了分析超声扭转振动铣削C/Si C复合材料抑制损伤产生的机理,以传统铣削加工为参照,在分析超声扭转振动铣削刀具运动轨迹的基础上,利用两种刀具在超声扭转振动铣削与传统铣削状态下对C/Si C复合材料进行铣槽加工,并对试验中切削力、刀具磨损情况和铣槽质量进行检测与分析。结果表明,切削力是影响加工损伤产生的重要因素,而施加超声扭转振动后两种刀具的切削力均低于传统铣削切削力,两种刀具的切削状态也得到了改善,其中硬质合金铣刀底刃磨损面积降低了23.7%,有效避免了槽壁加工表面崩边及毛刺现象。     

损伤容限型钛合金正交车铣和车削切削加工性对比研究

损伤容限型钛合金TC21广泛用于制造新型战机中重要的承力部件,但较差的切削加工性掣肘了其加工效率和加工质量的提高.采用单因素切削试验法,从切削力、切削温度、刀具耐用度和已加工表面完整性等方面探讨TC21钛合金车削和正交车铣的切削加工性.结果表明,相对于车削,正交车铣通过铣刀的高速旋转和断续切削,可有效降低切削力和切削温...     

基于ABAQUS的切削仿真加工研究

在金属切削加工中,切削力的大小和切削温度的高低是金属切削加工过程中重要的性能指标,通过改变切削参数可以优化切削力、切削温度进而提高加工效率和质量。本文利用ABAQUS对30CrMnSiA材料的切削过程进行了仿真分析,运用回归正交试验方法研究切削速度、切削深度、刀具角度等参数对切削过程中产生的切削力、切削温度的深度影响,并分析了刀具网格类型与疏密度对切削过程的影响。     

汽车发动机连杆材料β钛合金的切削加工研究

以新型汽车发动机连杆材料β钛合金Ti-10V-2Fe-3Al为研究对象,运用激光辅助切削加工的方法对该材料的加工工艺进行优化,研究了不同加工方法、加工参数对其切削特性的影响。研究结果表明:激光辅助切削加工试样切削温度高于机床切削加工,而切削力低于机床切削加工;在切削速度较低时,随着切削速度的增加,试样切削温度变化较大;随着切削速度的继续增加,激光辅助切削加工试样切削温度降低、机床切削加工试样切削温度升高,最终都趋于稳定;在切削速度较高时,不同切削加工方法的切削力基本相同;机床加工试样切削温度随着进给量的增加而增加,激光辅助切削加工试样切削温度则先急剧下降然后趋于平稳。     

响应曲面法优化球墨铸铁切削参数的研究

利用有限元技术建立了球墨铸铁QT700镗孔切削的简化模型,为响应曲面法提供试验数据。采用了中心组合设计方法,对试验数据进行多元回归分析,建立了主切削力和切削温度与切削速度、进给量及背吃刀量相关的预测模型。通过对响应面模型的分析研究,确定了各切削参数对主切削力与切削温度的影响。最后通过乘除法建立了主切削力、切削温度和去屑率的综合评价函数,求得在同时保证一定加工质量和加工效率情况下的优化切削参数值。     

考虑刀具底刃切削的CFRP铣削力精确建模研究

针对碳纤维复合材料(CFRP)铣削提出了一种切削力精确建模方法,即考虑刀具底刃切削作用的铣削力机械模型,通过实验识别底刃和侧刃的切削力并分析了切削力变化规律,建立了切削力系数关于瞬时切削厚度、纤维切削角及切削速度的BP神经网络模型,进一步实现了对铣削力的预测。单向板和多向板的铣削验证实验表明考虑刀具底刃因素可以提高切削力预测的准确性,同时也验证了BP神经网络在CFRP切削力建模中的可行性。