硬质合金台阶钻结构参数及钻削工艺参数对CFRP开孔性能的影响

基于VMC850B立式加工中心和UltraPAC超声C-扫描仪,搭建了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)钻削试验平台,探讨了台阶钻结构参数及钻削工艺参数对CFRP钻削过程中的钻削轴向力和分层因子的影响。结果表明,钻削工艺参数对第一段钻削轴向力影响较大,台阶钻结构参数对第二段钻削轴向力的影响较大;分层因子的大小与第一段钻削轴向力和第二段钻削轴向力有关,当第一段和第二段直径比d/D0.5时,分层因子主要与第一段钻削轴向力有关;减小分层的优水平组合为第一段直径2.8mm,第二段锋角95°,主轴转速7000r/min,进给速度2.5mm/s。     

双顶角钻头钻削CFRP复合材料的刀具磨损机制

为了研究碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料切削中刀具在不同部位的磨损机制和规律,以典型的硬质合金双顶角钻头作为研究对象,主要研究对出口分层影响较大的横刃和对最终制孔成型影响较大的第二主切削刃的磨损机制及规律。通过减小磨损测量间隔,并引入切削刃钝圆半径以及后刀面磨损带宽度,表征了横刃和第二主切削刃在加工中的衰变过程。基于显微刃口观测和钝圆半径变化,揭示横刃易崩刃和第二主切削刃磨损后又受到重新刃磨的磨损机制,获得了此类型钻头不同部位的磨损规律。同时,基于上述的磨损表征,研究不同切削部位磨损量对钻削轴向力和力矩的影响,横刃轴向力与横刃钝圆半径变化相关性较小,而钻削最大力矩与第二主切削刃后刀面磨损变化规律相一致。     

考虑刀具磨损影响的CFRP复合材料钻削轴向力预测

在碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料钻削过程中,随着刀具磨损量的累积,轴向力会逐渐增加,轴向力过大会导致CFRP复合材料一系列的加工缺陷.为实现在CFRP复合材料钻削过程中随刀具磨损量的累积轴向力变化的有限元分析及预测,建立了CFRP复合材料钻削仿真模型,通过对ABAQUS仿真软件二次开发,利用python语言开发子程...     

CFRP管面钻削缺陷形成机制

碳纤维增强复合材料(CFRP)传动轴因性能优越广泛应用于汽车、航空航天、船舶、冷却塔风机等轻量化领域,但其钻削过程中容易出现毛刺、分层等缺陷。为了揭示CFRP管面钻削缺陷形成机制,选择双锋角钻头和三尖二刃钻对CFRP管面钻孔,利用分步钻削盲孔和通孔的方法,分析了损伤部位的受力情况,揭示了入口撕裂、出口毛刺和分层产生原因。根据实验结果,发现双锋角钻头钻孔时入口撕裂损伤较大,损伤位置在钻头与管面接触最低点,且主要是那部分水平缠绕CFRP管的纤维,原因是水平缠绕的纤维屈曲变形最大,对切削力更加敏感。双锋角钻头和三尖二刃钻的横刃对孔最终出口分层没有影响,主切削刃的切削行为决定孔最终出口分层。相同钻头钻孔时,轴向力不是唯一影响分层因子的因素,还需考虑切削热。相比双锋角钻头,三尖二刃钻因锋利的外缘尖角能有效划断纤维,使出口分层较小。     

基于超细晶硬质合金钻头的AFRP钻削性能

采用超细晶硬质合金钻头开展了芳纶纤维增强树脂基复合材料(Aramid Fiber Reinforce Polymer Composites,AFRP)的钻削实验,从钻削力、钻削温度、制孔质量、刀具磨损等方面对比分析了超细晶硬质合金钻头与普通硬质合金钻头的钻削性能。实验结果表明:芳纶纤维增强树脂基复合材料钻削过程中,钻削力随进给速度的增大而增大,随主轴转速的增大而减小,超细晶硬质合金钻头的钻削力比普通硬质合金钻头降低了40.6%以上;钻削温度随进给速度的增大而减小,随主轴转速的增大而增大,相对普通硬质合金钻头,采用超细晶硬质合金钻头的钻削温度降低了47~85℃;超细晶硬质合金钻头钻削产生的拉毛和热损伤明显少于普通硬质合金钻头;经过长时间的钻削,普通硬质合金钻头的橫刃和主切削刃出现了崩刃,后刀面出现了严重的磨料磨损;而超细晶硬质合金钻头由于高硬度和高耐磨性等特性,刀具的磨损相对较小,适合于芳纶纤维增强树脂基复合材料的高效低损伤加工。     

基于几何因子的复合材料层合板颤振特性

首先实现了基于几何因子的复合材料层合板建模方法,解决了几何因子与Natran的参数输入问题,并通过一个简单算例进行验证。其次,在基于几何因子的层合板建模方法的基础上,采用p-k法计算颤振速度和发散速度,进行基于几何因子的悬臂复合材料层合板颤振和发散特性分析研究,重点研究了主轴刚度和弯扭耦合效应对颤振速度的影响。分析结果表明:相对于弯曲刚度,扭转刚度的改变对颤振速度的影响更显著,且扭转刚度越小,颤振速度越低;颤振模式随着刚度特性的改变有可能发生转变,导致颤振速度的突然变化和几何因子空间内颤振速度等高线的不连续;在正则化刚度矩阵不变的情况下,层合板厚度增加会同时提高颤振速度和发散速度,且颤振速度与发散速度与厚度大致呈线性关系。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板干涉连接插钉轴向力建模与分析

碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）构件干涉配合连接的插钉轴向力过大会引起层合板弯曲和分层,严重影响产品的安全性。针对CFRP层合板的高锁螺栓干涉连接过程,分析了其制孔、插钉及拧紧等装配连接工艺,将其干涉插钉过程划分为4个阶段,并对各个阶段进行了详细的力学行为分析;对螺栓杆处和倒角处的挤压力和摩擦力分别进行力学建模,并结合各作用力的边界条件与阶段划分,构建了干涉插钉全过程的轴向力模型;通过ABAQUS有限元模拟了CFRP层合板干涉插钉工艺过程,并开展了干涉螺栓安装实验,对比分析了层合板孔周径向挤压应力分布和插钉轴向力变化规律,解析结果与模拟和实验结果吻合较好,为后续CFRP层合板的插钉分层损伤和工艺优化研究奠定基础。      

基于模具预先补偿法的大幅面CFRP制件形状精度控制方法

针对控制大幅面CFRP制件成型后的形状精度这一关键技术问题,在剪切层法预测变形的基础上提出了一种改进的剪切层变形模拟方法。改进的方法只需少量制件实验数据,通过计算应变曲线曲率确定剪切层厚度,进而较准确地预测了CFRP制件的翘曲变形。基于变形模拟方法建立了一种大幅面CFRP制件形状精度控制方法,这一方法通过将模拟获得的变形不断补偿于初始模具型面来降低最终制件的变形。通过与实验数据的对比,证明了采用控制方法可以有效提高成型制件的精度,降低变形。     

铺层角度对碳纤维/形状记忆环氧树脂层合板形状回复性能的影响

对不同铺层角度的碳纤维/环氧树脂形状记忆复合材料(SMC)层合板的弯曲回复性能进行了研究。结果表明,[±θ]_s铺层方式的SMC层合板的形状回复率、回复力均随着铺层角度增大而减小,回复时间随着铺层角度增大而增大,其中铺层角度增大至45°后,回复时间开始出现大幅的增加,铺层角度增大至60°后,回复率开始出现大幅的降低。对SMC层合板进行了15次的赋形-回复循环过程,发现不同铺层角度SMC层合板均能保持较稳定的形状记忆回复率和回复时间。但在铺层角度0~30°的范围内,层合板的形状回复力随着铺层角度增大而减小。最后分析了不同铺层角度SMC层合板的局部损伤,结果表明,[0]_4和[±15]_s铺层方式的SMC层合板基体已达到了其极限剪切应变,基体发生严重破坏,并且会随着赋形次数的增加而加剧。     

基于分层设计变量的复合材料层合板优化设计及灵敏度分析

在复合材料层合板的结构优化设计中,提出分层设计变量的优化方法以满足实际工程需要。在结构位移、自振频率和屈曲临界荷载灵敏度分析中,给出了刚度矩阵对分层厚度和分层角度设计变量的灵敏度计算公式,考虑了分层厚度变化引起层合板对称中心的改变,保证了计算准确性。数值算例验证了灵敏度算法的精度,应用实例显示了分层设计变量方法的实用性。     

碳纤维增强复合材料螺旋铣孔切削力及加工质量研究

针对传统钻孔方法加工复合材料时易导致分层、撕裂等缺陷的问题,采用螺旋铣作为新的制孔技术,根据飞机装配现场的实际加工条件,构建以机器人为移动载体、螺旋铣孔终端执行器为加工单元、螺旋铣孔专用刀具为切削工具的加工系统,采用该加工系统对碳纤维增强复合材料(CFRP)螺旋铣孔关键工艺参数进行正交试验,并讨论了刀具主轴转速、每齿进给量和轴向切削深度等工艺参数对切削力的影响规律;通过对加工缺陷的监测,探讨了切削力与CFRP分层、撕裂等缺陷之间的关系;最后对工艺参数进行优化,经试验验证,优化后轴向切削力较优化前降低26%以上,孔入口及出口处均无撕裂、毛刺,加工质量最优。     

Critical thrust force at delamination propagation during drilling of angle-ply laminates

A new formulation for the critical thrust force necessary to propagate the delamination generated during the drilling operation of an antisymmetric angle-ply laminate is proposed by modeling the delamination zone as an elliptical shape. The critical thrust force is analytically derived with the consideration of bending, twisting and mid-plane extension of the delamination zone. And then to maximize the critical thrust force, the optimal design of an angle-ply laminate is performed to find the optimal number of fiber per millimeter, optimum diameter of fiber and optimum lamination angle using ADS (Automated Design Synthesis).     

Tool geometry based prediction of critical thrust force while drilling carbon fiber reinforced polymers

Carbon fiber reinforced polymers(CFRPs) are known to be difficult to cut due to the abrasive nature of carbon fibers and the low thermal conductivity of the polymer matrix.Polycrystalline diamond(PCD) drills are commonly employed in CFRP drilling to satisfy hole quality conditions with an acceptable tool life.Drill geometry is known to be influential on the hole quality and productivity of the process.Considering the variety of CFRP laminates and available PCD drills on the market,selecting the suitable drill design and process parameters for the CFRP material being machined is usually performed through trial and error.In this study,machining performances of four different PCD drills are investigated.A mechanistic model of drilling is used to reveal trade-offs in drill designs and it is shown that it can be used to select suitable feed rate for a given CFRP drilling process.     

基于径向基函数神经网络的CFRP切削力预测

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工中基体相极易因切削力过大而破坏,并迅速扩展至加工表面以下而形成损伤。为了准确预测其切削力并加以控制,基于实验切削力数据建立了人工神经网络切削力模型,预测了不同纤维角度、切削深度和刀具角度下加工CFRP的切削力变化规律,并完成了不同刀具角度及切削参数下典型纤维角度CFRP单向板的直角切削实验,对预测模型进行验证,其预测精度可达85%以上。结合成屑过程在线显微观测结果可知:纤维角度是影响CFRP切削力的主要因素, 0°~135°范围内,切屑形成方式为切断型和开裂后弯断型;切削力随纤维角度增大呈先减小后增大的趋势, 135°时最大,随切削深度增加,切削力总体呈增大趋势。      

Effects of temperature on impact damages in CFRP composite laminates

In this paper, the effect of temperature variations (low and high temperatures) was studied experimentally on impact damage to CFRP laminates. The composite laminates used in this experiment were CF/EPOXY orthotropic laminated plates with lay-up [0₆/90₆]_s and [0₄/90₄]_s, and CF/PEEK orthotropic laminated plates with a lay-up of [0₆/90₆]_s. A steel ball launched by the air gun was used to generate the CFRP laminate impact damage. For impact-damaged specimens, nondestructive evaluation (NDE), such as a scanning acoustic microscopy (SAM) was performed on the delamination-damaged samples to characterize damage growth at different temperatures.

Therefore, this study was undertaken to experimentally determine the interrelations between impact energy and impact damage (i.e. the delamination area and matrix) of CFRP laminates (CF/EPOXY and CF/PEEK) subjected to foreign object damages (FOD) at low and high temperatures.     

碳纤维复合材料层合板压缩性能的相关影响因素

碳纤维作为一种新型的增强材料,具有优良的理化性能,已在多个领域广泛应用.由于单向碳纤维复合材料层合板的压缩强度较低,其在结构复合材料方面的应用受到限制,提高其压缩性能成为关键.本文综述了影响碳纤维复合材料层合板压缩性能的相关因素,详细介绍了纤维弯曲、孔隙率、纤维体积分数、树脂性能等影响因素对碳纤维复合材料层合板的重要性,以及各影响因素之间的关系等,为提高碳纤维复合材料层合板压缩性能的研究提供了参考.     

电阻法预报CFRP层板疲劳损伤演变过程

通过类比方式,以电阻变化作为复合材料的损伤参数,建立了用电阻损伤参数预报CFRP层板疲劳损伤的数学模型,通过拉-拉疲劳试验,对CFRP层板的疲劳损伤与疲劳寿命预报进行研究,建立了累积损伤中电阻与疲劳损伤状态之间的关系.研究表明,在疲劳损伤过程中,电阻损伤参数的变化同材料的疲劳损伤过程密切相关,电阻损伤规律可分为下降阶段、平稳阶段和破坏阶段;碳纤维材料的电阻变化能够反映纤维的损伤程度和破坏形式,可以作为表征复合材料纤维损伤的有效参数.