纤维增强复合材料磨削制孔加工技术研究进展

纤维增强复合材料具有优良的物理、化学和力学性能,在航空航天、汽车、新能源等高新技术领域应用广泛。相比传统钻铣刀具,磨料工具在纤维增强复合材料制孔时,加工后的分层、毛刺、撕裂及热损伤等缺陷更小,且磨料工具可以稳定加工硬度更高的纤维增强陶瓷基复合材料。首先,综述了纤维增强复合材料在磨削制孔过程中的切屑形成、磨削轴向力、磨削温度等磨削加工机制;其次,探讨了近年来国内外在纤维增强复合材料磨削制孔技术中的制孔加工缺陷及其评价方法;然后,分析了纤维增强复合材料磨削制孔质量及其影响因素;此外,综述了纤维增强复合材料磨削制孔刀具及其磨损机制等方面的研究现状;最后,对纤维增强复合材料磨削制孔加工技术研究进行了总结和展望。      

碳纤维复合材料构件加工缺陷与高效加工对策

碳纤维复合材料钻削加工时易产生分层、毛刺、撕裂等缺陷,是典型的难加工材料。本文以碳纤维增强/树脂基复合材料为研究对象,观察钻孔缺陷形成过程,建立单丝切削模型分析缺陷形成原因;讨论了轴向力对缺陷的影响规律。结论如下:纤维方向对缺陷形成有重要的影响,轴向力增大分层与撕裂缺陷相应增大;以磨代钻加工工艺、新型PCD刀具和螺旋面钻头对于提高碳纤维复合材料钻孔质量都有很大提高。     

玻璃纤维增强聚丙烯复合材料制孔损伤

为抑制玻璃纤维增强聚丙烯复合材料（GF/PP）制孔损伤并提高其制孔效率,本文通过钻削实验获得多种进给速度下的GF/PP复合材料钻削轴向力和出口温度,使用高速摄影设备对刀具钻出过程进行在线观测,研究出口材料去除过程及其损伤成因,分析进给速度对GF/PP复合材料制孔损伤的影响规律。结果表明：GF/PP复合材料的钻削出口温度在低速进给时显著升高,在高速进给时基本趋于稳定;出口撕裂是重要的出口损伤形式,成因是大片毛刺受副切削刃的撞击和撕挤,进给速度过高或过低均会加剧损伤; 0°毛刺在低速进给时较严重,入口撕裂在高速进给时较严重。     

CFRP/Al叠层结构制孔缺陷的有限元仿真

应用Abaqus有限元仿真软件,建立了CFRP/Al钻削有限元仿真模型,对CFRP/Al钻孔过程中碳纤维复合材料的撕裂、分层损伤及毛刺的特征和形成机理进行了仿真研究,并进一步分析了切削速度、进给量对CFRP/Al叠层结构制孔缺陷的影响规律。结果表明:麻花钻横刃对碳纤维的拉伸作用是造成撕裂的主要原因;毛刺主要产生在纤维被切削时处于拉伸状态的区域,铝合金切屑对CFRP的划伤也是毛刺形成的原因之一;在CFRP/Al叠层结构制孔缺陷中分层损伤最显著,进给量和切削速度对出入口分层损伤成正相关且对入口处分层影响更大;在这种叠层结构中,铝合金板的支撑作用有效减小了碳纤维复合材料层出口的分层损伤。     

碳纤维/环氧树脂复合材料制孔损伤综合评价方法

碳纤维/环氧树脂(C/E)复合材料在制孔过程中容易产生毛刺、撕裂和分层等多种加工损伤, 对加工损伤进行合理有效的评价是复合材料构件经济性和可靠性的重要保证。针对现有纤维增强复合材料制孔损伤评价方法的单一性和局限性, 首先, 基于统计方法的相对指标法, 提出了综合考虑毛刺、撕裂及分层损伤的C/E复合材料制孔损伤综合评价的新方法, 建立了损伤因子的数学模型。随后, 根据评价指标的关联性, 采用刀具磨损试验确定了数学模型中的所有系数, 以及判别C/E复合材料制孔质量合格与否的临界损伤因子值。最后, 通过超声波探伤对提出的评价方法的准确性进行了验证。结果表明:采用提出的C/E复合材料制孔损伤综合评价方法, 能够有效地反映和评价不同加工参数下的制孔质量状况。      

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。     

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。     

纤维增强复合材料制孔分层缺陷检测与评价技术研究进展

纤维增强复合材料的制孔工序是实现复合材料结构件连接的重要环节,复合材料的各向异性和层间强度低极易导致分层缺陷,而制孔质量直接影响复合材料零部件物理性能的发挥和安全服役中的可靠性。因此,必须对复合材料制孔的分层缺陷进行检测并加以评价,用以优化刀具设计和加工工艺参数。该文在简要阐述制孔分层缺陷产生机理的基础上,首先,重点分析渗透液、光学、渗透X射线、常规超声C扫描、工业CT和超声显微镜6种分层缺陷检测方法的基本原理、特点及研究进展;然后,分类总结制孔分层缺陷的7种定量评价因子;最后,讨论复合材料制孔缺陷在线监测与评价的可行性和所面临的技术挑战。     

碳纤维复合材料构件高效加工对策

近20年来，碳纤维增强复合材料研究与应用受到世界各国的普遍重视，本文以碳纤维增强／树脂基复合材料为研究对象，讨论了轴向力对缺陷的影响规律结论如下：纤维方向对缺陷形成有重要的影响，轴向力增大分层与撕裂缺陷相应增大：以磨代钻加工工艺、新型PCD刀具和螺旋面钻头对于提高碳纤维复合材料钻孔质量都有很大提高。     

含孔玻璃纤维/环氧树脂复合材料-铝合金层板的拉伸损伤行为与热暴露响应

采用试验和数值方法研究了含孔玻璃纤维/环氧树脂(GF/EP)复合材料-铝合金层板在不同热暴露温度下的拉伸剩余强度和损伤失效模式,揭示了层间损伤、纤维损伤及基体损伤的演化过程。结果表明:随着热暴露温度升高,含孔GF/EP复合材料-铝合金层板剩余强度不断下降,拉伸破坏呈现出明显的纤维断裂与层间分层混合失效模式。热暴露温度越高或开孔直径越大,GF/EP复合材料-铝合金层板的层间分层损伤区域越小。随着载荷的增大,沿加载方向的0°纤维和基体的损伤分别呈现出类似“漏斗”形和“花瓣”状的损伤演化形式,而层间损伤区域呈现出一对相对开孔对称的三角形损伤演化形式。基于GF/EP复合材料-铝合金层板的剩余强度和损伤失效模式的数值仿真与试验结果吻合较好。      

进给速度对不同纤维方向CFRP铣削表面形貌的影响

采用金刚石涂层硬质合金铣刀对0°、45°、90°、135°4种纤维方向的碳纤维增强复合材料(CFRP)进行了顺铣加工试验。通过对铣削力和加工表面形貌的对比,分析了纤维方向和每转进给量对加工表面质量的影响。结果表明:主切削力随着每转进给量的增大而增大,0°方向纤维受到的主切削力最大,90°方向纤维受到的主切削力最小;0°方向纤维表面破碎树脂与纤维的残留随着每转进给量的增大而增多,135°方向纤维表面树脂粘附逐渐减小;90°方向纤维表面会有大小不同的微坑,同时在样件上、下表面易产生分层缺陷,45°方向纤维表面多呈现沟槽或波浪形形貌。     

An attempt to use scratch tests to predict the residual lifetime of unplasticised poly(vinyl chloride) pipes

This paper reports on a procedure that can potentially predict the residual lifetime of low-pressure uPVC pipes in a non-destructive way. Ageing of these materials is characterised by a change in yield stress and fracture behaviour. The search for a method being able to non-destructively evaluate the yield stress and the fracture behaviour led to the study of scratching of the polymer surface. According to an extensive study by Atkins and Liu, the scratching behaviour is a function of yield stress, fracture toughness and the attack angle of the cutting tool.Experiments reported in this paper give an evaluation of the scratched area as a function of the attack angle for uPVC samples having different ageing times. Existing analyses for metals are adapted for polymer specific properties, such as the pronounced strain rate dependence of yield stress and visco-elastic recovery. The suggested adaptations are successful in the sense that the resulting analysis is capable of describing the forces during scratching and the resulting cross-sectional area of the groove. Although the scratching technique was not able to discriminate between differences in the scratch force or cross-sectional area of the groove of the different ageing times, it was possible to get an estimate of the fracture toughness from the analysis. Therefore, scratching is a promising technique to determine the fracture toughness for ductile materials for which it is difficult to obtain accurate results with conventional techniques.     

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。      

基于细观仿真建模的CFRP细观破坏

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在细观上呈现纤维、树脂及界面组成的混合态,其切削加工过程的实质为刀具作用下材料细观层面的破坏至切屑宏观形成的演化过程。为了揭示CFRP切削加工过程中材料的细观破坏,建立了CFRP切削的细观有限元模型。该模型在几何上包含了纤维、基体及界面等组成相,而不是使用传统的等效均质建模方法。各组成相不仅考虑了各自不同的材料本构,而且为了能够模拟材料破坏,还将各组成相材料的失效及演化准则考虑其中。该模型可从细观层面更真实地模拟不同纤维角度CFRP单向板切削过程中纤维/基体断裂、界面开裂及演化的过程。仿真结果表明:不同纤维角度下CFRP细观破坏不同,切削0℃FRP时以界面开裂和纤维弯断为主;切削45°/90℃FRP时主要是刀具侵入工件,纤维基体被压断;切削135℃FRP时则以纤维弯曲断裂为主,断裂面往往在加工面以下。通过实验显微在线观测手段验证了模拟结果的正确性。      

三维机织复合材料力学性能的各向异性

通过一系列的实验、分析, 客观地评价了4 种不同结构碳/ 环氧3D 层-层正交角联锁机织复合材料沿0°、30°、45°、60°、90°方向的拉伸、压缩、弯曲强度和模量。实验结果表明: 三维机织角联锁复合材料属正交各向异性材料, 各个方向的拉伸、压缩、弯曲强度和模量曲线呈枫叶形, 具有明显的双主轴特性; 4 种不同结构复合材料的各向异性力学性能有差异, 经向力学性能以带衬经的角联锁结构为最佳, 而纬向力学性能以纬密大的角联锁结构为最佳; 三维机织角联锁复合材料具有很强的性能可设计性, 正确选择纤维原料、纤维细度、三维预制件的组织结构和各个纱线组分的排列密度, 即可达到预期的性能指标要求。      

Surface damage of single-crystal silicon abraded in ethanol and deionized water

Semiconductor grade, single-crystal silicon wafers of (1 0 0) p-type were abraded by a single-point, slow speed (2.3 cm sec^–1) 90° pyramid diamond in ethanol and deionized water. The scratching was carried out in each of the fluids with a load of 0.5 N on the sliding diamond. The scratching produces a groove, the depth of which depends on the number of traverses of the diamond. A measure of the cross-sectional area of the groove was used to determine the abrasion rate in ethanol, which was about 1.3 times that in deionized water. Some of the samples scratched in deionized water were annealed at 1000° C for 1 h and these samples, along with those unannealed and scratched in both fluids, were fractured perpendicular to the scratch in a three-point bend apparatus. The fracture strengths and the mirror distances obtained by scanning electron microscope (SEM) observation were used to deduce tensile residual stresses of 15.6 and 99.0 MN m^–2 beneath the grooves formed in deionized water and ethanol, respectively. The SEM investigation also showed that (a) the groove surfaces contained microcracks wedged with wear debris, and (b) dislocations were generated and propagated away from the groove surfaces as a result of annealing. The relatively higher tensile residual stress produced in the presence of ethanol is consistent with the higher wear rate in this fluid.     

考虑纤维方向分布的玻纤增强PP复合材料拉伸性能

纤维方向及其分布对玻纤增强PP复合材料的力学特性具有至为关键的影响。提出了一种快速获取纤维数量及每根纤维方向的方法。通过引入方向张量, 利用Moldflow软件进行玻纤增强PP树脂注塑成型模拟获得纤维方向的平均分布, 结合显微方法观察判断特定点的纤维沿厚度方向的分层情况及定量判断纤维方向的分布。对轿车玻璃纤维增强注塑仪表板的纤维方向相对一致处取与纤维方向呈0°、45°、90°的样条, 通过拉伸实验测得拉伸模量, 利用所提出的方法研究了仪表板内玻纤方向的分布及其对拉伸模量的影响。研究结果表明: 玻纤增强注塑仪表板的力学性能是各向异性的, 其沿厚度方向纤维按方向大致可分为三层。     

Transverse core fiber alignment in short-fiber injection-molding

Frequently it is observed that fibers in the core of short-fiber injection moldings lie predominantly in the plane of the plaque and perpendicular to the mold-fill direction. Such orientation of core fibers does nit appear to be explicable by the fluid mechanics of mold-filling, and an entrance-induced orientation argument does not account for an orientation which is transverse to both the mold-fill and thickness directions. The present work investigates the development of fiber orientation during the mold-filling process by examining through-thickness microstructures in a series of controlled short shots. Comparison of these microstructures with that of a fully packed injection molding indicates that the transverse orientation of fibers throughout the core layer did not occur until after the mold was full. Hence, the transverse orientation of core fibers may be attributed to stresses developed during the packing stage of the injection molding process.