低频振动钻削CFRP分层缺陷研究

CFRP在制孔加工过程中经常会产生分层缺陷影响材料性能，为此本文针对低频振动钻削CFRP制孔分层缺陷进行了研究。采用低频振动钻削比普通钻削加工获得的CFRP分层因子更小，并且可以减小CFRP出口处分层撕裂程度；采用叠层钻削比单独钻削CFRP时获得的CFRP分层因子更小，并且从CFRP→Ti合金方向钻入比Ti合金→CFRP方向钻入获得的CFRP出口处烧灼和分层更小；拉伸强度与分层因子具有相关性，CFRP拉伸强度随分层因子的增大而减小。     

CFRP制孔加工缺陷及制孔技术的研究进展

碳纤维增强复合材料(CFRP)已在航空航天飞机上得到了大量应用.在CFRP结构件的装配连接中,需要进行大量的制孔加工.但在CFRP制孔中极易产生毛刺、分层等制孔缺陷,严重影响制孔质量和构件使用性能,尤其是分层制孔缺陷是造成构件报废失效的主要原因.针对分层制孔缺陷的研究现状,重点阐述制孔缺陷的形成机制及制孔缺陷的评价方法,再梳理CFRP制孔工艺方法及其制孔刀具的研究现状.面对高模量CFRP制孔难度不断加大的趋势,为了抑制CFRP制孔中制孔缺陷的产生,指出CFRP制孔加工下一步研究的重点.     

高强度型T800S/250F CFRP的制孔缺陷研究

为了研究T800S/250F CFRP的制孔缺陷,采用CVD涂层麻花钻和CVD涂层匕首钻进行了钻削实验.结果表明:进给率(f)的增大将加剧制孔表面的毛刺缺陷和分层损伤;高速、低进给钻削能够有效地提高制孔出口表面质量,减小毛刺缺陷和分层损伤;与CVD涂层麻花钻相比,CVD涂层匕首钻能够获得更小的制孔表面缺陷(毛刺和分层损伤),具有更优异的制孔性能,更适合高强度型T800S/250F的钻削加工.     

平纹编织CFRP制孔分层形成机制的热-力学理论建模及试验分析

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastics, CFRP)在航空航天领域获得了广泛应用,但由于各向异性和层间连接较差等特点,钻削过程中极易出现分层缺陷,严重影响构件的使用性能。为分析钻削温度对平纹编织CFRP制孔缺陷的影响机制,基于弹性地基梁理论、黏聚力学模型和热力学理论,建立了新钻型钻削平纹编织CFRP制孔分层形成的理论模型。结果表明：当新钻型多刃尖(Ⅲ)钻削孔边缘的最表层材料时,钻削温度达到最大值,对最终分层的形成最为关键;钻削温度和制孔分层随着主轴转速的增大而逐渐降低,随着进给速度的增大而逐渐升高。当纤维角度(θ)在0°/90°/180°/270°附近时,层间分层的临界轴向力达到最大值,分层相对较大,当纤维角度(θ)在45°/135°/225°/315°附近时,临界轴向力最小,分层并非极大。因此,临界力的大小只能反映产生分层缺陷的难易程度,不能决定分层的最终形状和大小。考虑温度影响时的制孔分层形态预测与试验观测基本吻合,而不考虑温度影响下所获得的预测值总体上偏小。此外,平纹编织CFRP分层形状基本呈近似圆形。     

碳纤维复合材料螺旋铣孔工艺研究

碳纤维复合材料(CFRP)因高比强度、耐腐蚀性等优异的材料属性广泛应用于航空航天等高科技领域,但是在钻孔过程中极易产生分层和毛刺等加工缺陷。针对这一问题,本研究应用螺旋铣孔工艺对CFRP材料进行孔加工,探究两种切削条件(常温干式和低温冷却)下的制孔质量,得到加工条件对切削力、分层缺陷和表面形貌的影响规律。研究结果表明,在低温冷却切削条件下,切削力相对较大,但分层因子相对较低,加工出的孔更规则,所以低温冷却切削条件能获得更好的制孔质量。     

刀具结构对CFRP/Al制孔分层损伤影响的仿真研究

建立了不同结构刀具钻削CFRP/Al叠层板的有限元仿真模型,应用有限元仿真软件ABAQUS对CFRP/Al叠层板制孔过程中CFRP层间分层损伤特征及原因进行了仿真研究,并进一步分析了刀具结构对CFRP层间分层损伤的影响。研究结果表明:CFRP层间分层损伤形貌为椭圆型,椭圆长轴所在方向和纤维方向一致;套料钻制孔的CFRP层间分层损伤在相同层间位置比PCD麻花钻小得多。     

CFRP/TC4叠层材料低频振动制孔损伤评价方法研究

开展CFRP/TC4叠层材料低频振动制孔试验,分析CFRP材料制孔毛刺、撕裂和分层等损伤形式,提出了针对每种损伤形式的评价指标,确定了制孔参数与损伤评价指标间的量化关系和影响规律,并结合制孔力和切屑状态对CFRP孔壁粗糙度以及孔径精度进行了研究。针对TC4钛合金材料,建立了制孔参数与孔口毛刺高度、孔壁粗糙度以及孔径精度等评价指标的量化关系,并结合制孔力和切屑状态对试验结果进行了分析。     

CFRP/Al叠层材料分层变参数制孔工艺研究

CFRP/Al叠层材料各组分的材料力学性能迥异,采用传统的基于单组分材料制孔加工方法极易出现孔口孔径超大、孔口毛刺、孔壁表面损伤等加工缺陷。因此在深孔啄钻加工工艺的基础上,提出一种分层变参数的加工工艺,并与两种啄钻方案进行实验对比研究,从切削断屑效果、制孔质量两个维度分析可得：分层变参数的加工工艺对控制切屑形态和抑制制孔缺陷具有一定优势。     

PCD与硬质合金钻头钻削CFRP/Al叠层材料对比研究

为延长钻削CFRP/Al叠层材料的刀具寿命,采用PCD刀具与硬质合金刀具进行CFRP/Al叠层材料的钻削对比试验,分析了制孔数量对轴向力、刀具磨损以及制孔质量的影响。试验结果表明,随着制孔数量的增加,两种刀具的轴向力、磨损量及制孔缺陷均增大。采用PCD刀具钻削CFRP/Al叠层材料能有效减小刀具磨损且可获得更好的加工质量。     

CFRP/Ti叠层材料低频振动制孔实验研究

CFRP/Ti叠层材料在一体化制孔过程中容易出现钻削力大、加工温度高等情况,造成复合材料分层、撕裂和制孔精度降低等问题。基于低频振动制孔技术进行加工参数优化实验,分析了低频振动制孔缺陷产生机理,得到了优化的加工参数。根据所得加工参数,进行了低频振动制孔与传统钻削制孔的对比实验。实验结果表明,在所得优化加工参数下,使用低频振动制孔工艺能够有效减少刀具磨损,提高叠层材料制孔质量。     

CFRP/Ti叠层材料超声辅助螺旋铣孔的轴向力研究

针对CFRP/Ti叠层材料在一体化制孔过程中轴向力过大而引起的分层损伤和出口毛刺等制孔问题,从降低叠层制孔轴向力的角度出发,采用螺旋铣孔的方式,结合超声辅助加工技术应用于CFRP/Ti叠层材料叠层制孔。设计系列加工试验,对比研究了有无超声辅助条件下叠层材料螺旋铣孔的轴向力,以及主轴转速、螺距、切向每齿进给量、偏心距和振幅对轴向力的影响规律,并初步得到工艺参数优化结论。结果表明,在超声辅助条件下CFRP/Ti叠层材料螺旋铣孔的轴向力明显减小。其他工艺参数对轴向力的影响程度大小顺序为偏心距>螺距>切向每齿进给量>振幅>主轴转速。     

叠层方式影响叠层构件大螺距螺旋铣孔研究

研究了叠层方式对大螺距螺旋铣孔航空叠层构件制孔质量的影响。通过对叠层方式影响大螺距螺旋铣削CFRP/Ti6Al4V叠层构件的简要分析,制定了叠层次序和叠层夹紧两种优化方案,并进行了相应制孔试验。分析发现,大螺距螺旋铣削CFRP/Ti6Al4V叠层构件应优选CFRP侧切入,若必须从Ti6Al4V切入时,则应选取传统钻削。层间夹紧既改善了CFRP/Ti6Al4V贴合面处孔径精度和孔口缺陷,也能避免了层间缝隙残留切屑,明显优于叠层未采取夹紧时的加工结果。研究成果为合理制定CFRP/Ti6Al4V叠层构件一体化制孔工艺和结构设计提供了参考。     

CFRP/钛合金叠层构件制孔孔径分布规律研究

为了研究CFRP/钛合金叠层构件一体化制孔加工后的孔径几何精度变化规律及主要影响因素,在CFRP/钛合金制孔基础上,利用三坐标测量机对孔径几何精度进行检测,并分别对单个孔及系列孔的孔径几何精度进行分析,得到孔径几何精度的变化规律及主要影响因素。结果表明:叠层材料制孔加工过程中材料加工性能的巨大差异,使加工至材料界面时产生的切削振动较大,是影响CFRP与钛合金孔径几何精度的主要因素,且对CFRP孔径影响较大,对钛合金孔径影响较小。     

航空碳纤维复合材料制孔刀具研究

碳纤维复合材料(CFRP)结构件的制孔过程中普遍存在着分层、劈裂和毛刺等缺陷。针对这些问题,在CFRP系列化刀具的开发和应用中通过试验对刀具性能进行评价,为刀具的优化应用提供合理的切削参数范围。     

碳纤维复合材料陀螺式制孔刀具运动分析

碳纤维复合材料(Carbon Fiber-Reinforced Plastic,CFRP)由于其优良的力学性能而被广泛应用于航空领域,但是在制孔过程中,在孔的出入口部位容易发生撕裂、分层和纤维拉出等缺陷,如何实现CFRP的高质量制孔成为工业生产中急需解决的技术难题。为此,提出了一种陀螺式制孔工艺,将铣刀倾斜一定的角度,使得铣刀在自转的同时围绕孔中心轴线做圆锥摆动式公转,并沿孔中心轴线方向进给。分析了该工艺下刀具在孔入口和出口阶段的运动特性和材料去除速度的变化情况,并通过试验研究了制孔轴向力的变化情况以及制孔质量。结果表明,与螺旋铣孔相比,陀螺式制孔在孔入口和出口阶段材料去除速度和制孔轴向力均呈现平滑变化的趋势,消除了螺旋铣孔时的突变现象,孔加工质量得到了明显改善。     

切削用量对CFRP镗削出口分层及轴向力的影响

针对镗削CFRP层合板孔出口常出现分层缺陷的问题,建立CFRP层合板镗削有限元模型,设计响应曲面实验,分析背吃刀量、切削速度和进给量对CFRP层合板镗削过程中分层损伤及轴向力的影响,并建立CFRP镗削轴向力的响应曲面预测模型。结果表明,镗削轴向力随背吃刀量、切削速度和进给量的增大而增大,且背吃刀量的影响更显著;背吃刀量、进给量与出口分层损伤呈正相关;切削速度增大至27m/min后,出口分层因子基本不变。     

制造缺陷对复合材料性能的影响研究

复合材料在制造过程中不可避免地会出现胶接分层、制孔分层等制造缺陷,分层损伤作为复合材料重要的损伤形式,严重影响了复合材料力学性能特性。本文对含预制缺陷复合材料开展了多种力学性能试验研究,通过与完好复合材料进行对比分析,建立了制造缺陷对复合材料性能的影响规律,可为复合材料结构设计提供支撑。     

复合材料成型分层缺陷在钻削横刃挤压阶段的扩展行为

碳纤维增强复合材料由于具有高比强度、高比模量等优异性能,广泛应用于先进装备的承力构件中。此类复材构件在铺放固化成型过程中易产生随机分布的分层缺陷,若缺陷区域与构件连接孔加工区域交叠,将使制孔损伤产生机制更加复杂、加工质量更难以保证。为保障碳纤维复合材料构件的加工质量,揭示成型分层缺陷对制孔质量的影响机制,针对钻削过程中成型分层缺陷的动态演化行为进行研究,得到其在钻削过程中轴向力最大的横刃挤压阶段发生扩展的临界条件以及扩展长度的计算方法。基于此,结合钻削试验对预埋分层缺陷在制孔过程中的扩展行为进行在线观测,最终获得刀具作用位置对缺陷扩展行为的影响。该研究成果将为后续有关复材成型缺陷在钻削过程中扩展的抑制方法研究提供基础,也将为丰富复材损伤抑制理论作出贡献。     

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     

CFRP钻削有限元仿真研究现状与展望

有限元仿真技术已成为研究CFRP制孔缺陷形成机理的重要手段。阐述了CFRP钻削过程中的主要加工缺陷;介绍了目前CFRP钻削常用的有限元仿真方法,并基于此构建了材料本构模型;综述了有限元仿真技术在研究CFRP宏观钻削和细观材料失效方面的应用和发展;分析了复合材料有限元仿真研究存在的不足,并对CFRP钻削仿真技术的发展进行了展望。