碳纤维复合材料孔加工研究现状

根据碳纤维复合材料的特性和制造加工中存在的问题,综述了碳纤维复合材料孔加工时加工工艺、钻头几何参数及其材料、机床振动、材料制备缺陷等因素对钻削加工损伤(尤其是分层损伤)的影响和抑制方法、钻削建模与仿真以及叠层孔加工等方面的研究最新进展,重点关注了钻削诱导的分层损伤形成机理以及一些特殊工艺,如振动辅助钻削、螺旋铣削孔加工、磁性胶体垫板孔加工技术和高速钻削技术等对碳纤维复合材料孔加工质量改善效果。     

C/E复合材料螺旋铣削制孔方法抑制缺陷产生的机理

传统钻削加工碳纤维/环氧树脂(Carbon/epoxy,C/E)复合材料时容易产生加工缺陷,而螺旋铣削作为一种新的制孔方法在航空材料的加工中逐渐受到关注。为分析螺旋铣削制孔方法抑制缺陷产生的机理,以传统钻削加工为参照,分别利用螺旋铣削及传统钻削两种方法对C/E复合材料进行制孔试验,并对螺旋铣削与传统钻削刀具的运动轨迹进行分析。在具有相同的加工效率及刀具切削速度的基础上,对两种加工方法的加工参数进行优化。进行制孔对比试验,并对制孔过程中的切削温度、切削力及加工质量进行检测与分析。结果表明,切削温度是影响C/E复合材料制孔质量的重要因素,且由于螺旋铣削制孔时的切削温度显著低于传统钻削制孔温度,因此螺旋铣削制孔质量明显优于传统钻削制孔质量。螺旋铣削制孔时的切削温度较传统钻削时降低69℃以上,降幅大于36%,因此有效避免了制孔出口处的撕裂及分层现象。     

基于短纤维增韧的复合材料制孔毛刺和分层抑制研究

由于复合材料的各向异性、树脂导热性差和层间韧性低,在二次机械加工特别是钻削制孔过程中,复合材料易产生毛刺、分层等缺陷和损伤,将短纤维层间增韧方法用于钻削损伤的抑制研究。制备低密度芳纶短纤维薄膜,采用低压接触成型工艺制备了含短纤维增韧与未增韧的复合材料层合板,进而在加工试验台上进行钻削试验。通过对试件加工孔的红外无损检测和显微观测,研究转速和短纤维增韧对复合材料制孔损伤的影响,结果表明提高转速和短纤维界面增韧可改善制孔质量。基于短纤维与基体间相互作用,揭示其增韧机理是由于短纤维在层间形成的丰富桥联抑制了分层扩展,同时短纤维与层间树脂复杂的破坏机制而产生额外的能量耗散,并讨论短纤维参数对增韧效果的影响。该方法为复合材料高质量加工提供借鉴意义。     

碳纤维复合材料钻孔加工的缺陷分析

为了解决碳纤维复合材料(CFRP)钻孔加工过程中出现的撕裂、毛刺、分层等问题,以及将碳纤维复合材料更好地应用到机械制造行业中,进行了碳纤维复合材料的钻孔试验.通过实验研究了碳纤维复合材料的钻孔缺陷,分析了碳纤维复合材料钻孔加工的主要缺陷分类,以及钻削力、刀具的锋利性、钻削温度等因素对孔加工质量的影响,建立了钻削速度、进给速度与钻孔质量之间的关系;采用DM2500M金相显微镜以及KEYENCE VHX-1000三维显微系统进行了相关的试验.研究结果表明,钻孔加工缺陷出现部位呈现一定的区域性,钻孔毛刺、撕裂缺陷主要集中在出口部位,入口处几乎没有毛刺、撕裂等缺陷;随着进给速度的减小和主轴转速的增大,钻孔缺陷能够得到明显的改善;采用PCD钻头加工复合材料时宜在中、高转速下进行,高转速下钻头切削刃更易切断纤维,可以得到质量更高的钻孔.     

树脂固化温度与纤维铺设方式对C/E复合材料制孔质量的影响

在碳纤维树脂复合材料制备及加工过程中均较容易产生各种缺陷,并影响构件最终的加工质量及使用性能.为研究碳纤维树脂复合材料制备过程中产生的缺陷对制孔出口质量的影响,提出一种通过改变预浸料固化温度模拟材料制造缺陷的方法,并对不同温度固化和不同方式铺设的样件进行了模拟制孔试验,分析剩余刚度对材料内部缺陷扩展及制孔出口质量的影响...     

小角度螺旋槽钻头加工复合材料的模拟研究

针对碳纤维复合材料制孔时易产生毛刺、撕裂、分层等难题,首次提出了一种螺旋角为10°且顶角为83°的小角度螺旋槽钻头加工碳纤维复合材料的方法,并进行了钻削过程的有限元模拟分析.给出了主轴转速、进给速度、钻头几何角度等对加工过程中产生的钻削轴向力的影响,对比分析了两种钻头加工碳纤维复合材料的轴向力和加工出口质量.结果表明:复合材料的钻削轴向力受主轴转速的影响大于进给速度,并随主轴转速的增大而减小,随进给速度的增大而增大;同时,小角度螺旋槽钻头加工碳纤维复合材料时产生的轴向力小于麻花钻,破坏区域小,加工质量好,更适合碳纤维复合材料的制孔加工.     

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.     

复材异质叠层半自动制孔工艺参数研究

飞机承力部件采用大量的复合材料及难加工金属异质叠层结构,针对复材异质叠层在制孔过程中易出现烧蚀、孔壁划伤、出孔面质量缺陷以及制孔效率低、刀具寿命短等问题,采用EDU进行半自动制孔工艺参数切削试验,利用电流作为轴向力和扭矩的间接测量手段,对制孔过程中的重要表征量钻削力进行监测,判断制孔过程转速和进给量所反映的加工状态,为复材异质叠层制孔时线速度的选取提供依据,同时满足复材异质叠层的加工质量要求。     

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/聚酰亚胺和碳纤维/环氧树脂复合材料钻削加工性对比研究

对碳纤维/聚酰亚胺和碳纤维/环氧树脂两种复合材料的钻削加工性能进行了对比研究,分析了不同主轴转速和进给量条件下碳纤维增强复合材料加工过程中轴向力和钻削温度的变化规律,并对钻削后的制孔质量(如出口形貌与撕裂程度)进行了研究。结果表明:碳纤维/环氧树脂相比碳纤维/聚酰亚胺的钻削加工性能更差,主轴转速和进给量对两种复合材料的制孔质量有显著影响。     

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。     

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.     

碳纤维复合材料孔加工缺陷的研究进展

碳纤维复合材料属于难切削加工材料,在产品生产过程中容易出现孔的分层、出入口的毛刺和劈裂等缺陷。综述分析了碳纤维复合材料孔加工的主要缺陷和形成机理,同时给出了减少孔加工缺陷的主要途径,概括了提高碳纤维复合材料孔加工质量的有效方法,并展望了未来发展趋势。     

本期导读

<正>碳纤维增强复合材料/钛合金叠层结构钻削研究进展P3-9徐锦泱李超冀敏碳纤维增强复合材料/钛合金(CFRP/Ti)叠层结构以其优异的机械/物理性能及柔性的结构功能在航空航天领域获得了广泛应用。本文阐述了碳纤维增强复合材料/钛合金叠层结构钻孔加工技术的国内外研究进展与发展动向,介绍了其钻削加工机理,论述了CFRP/Ti叠层结构钻削缺陷类型及产生机理,并重点剖析了叠层结构制孔质量与切削参数、刀具结构、钻削顺序等加工条件之间的内在关系。为实现叠层结构高效精密加工,提出变参数钻削技术应用、钻削热产生与传递过程建模仿真以及叠层钻削缺陷预测与控制模型建立等未来研究方向。     

面向功率和制孔质量的CFRP钻削工艺参数多目标优化方法

航空、航天等高端制造领域碳纤维增强复合材料(CFRP)使用比例大幅增长,CFRP构件大规模生产已经展开,虽可降低CFRP成本,但所面临的降耗减排与质量提升等问题也会日渐突出。为提高CFRP构件质量,同时降低加工过程中的能源消耗和碳排放,开展针对CFRP构件钻削工艺加工参数的多目标优化研究。首先,确定以主轴转速、进给速度和复材层铺顺序为优化变量,以钻削过程钻削功率和CFRP构件孔口处分层因子为目标的多目标优化模型;然后,通过全因子实验,利用仪器采集钻削功率和分层因子数据;进而,基于响应曲面法,分析各加工参数对钻削功率和分层因子的影响;最后,再利用多项式拟合和NSGA-Ⅱ算法对多目标模型进行优化求解。研究结果表明：构建的多目标优化模型和提出的优化方法能够获得最优参数组合,优化结果可显著提高加工质量和钻削功率。     

温变特性对C/E复合材料制孔质量影响的试验研究

从玻璃化转变温度、热膨胀特性、碳纤维与树脂界面温变特性等方面分析了碳纤维增强环氧树脂(C/E)复合材料的温变特性。对C/E复合材料进行钻削试验,测量钻削区域的温度,并采用温变试验箱改变钻削环境温度,对比不同钻削环境温度下的制孔质量、孔壁表面质量和孔出口质量。通过试验,确认温变特性对C/E复合材料制孔质量有较大影响。     

碳纤维增强复合材料/钛合金叠层结构钻削研究进展

碳纤维增强复合材料/钛合金(CFRP/Ti)叠层结构以其优异的机械/物理性能及柔性的结构功能在航空航天领域获得了广泛应用。本文阐述了碳纤维增强复合材料/钛合金叠层结构钻孔加工技术的国内外研究进展与发展动向,介绍了其钻削加工机理,论述了CFRP/Ti叠层结构钻削缺陷类型及产生机理,并重点剖析了叠层结构制孔质量与切削参数、刀具结构、钻削顺序等加工条件之间的内在关系。为实现叠层结构高效精密加工,提出变参数钻削技术应用、钻削热产生与传递过程建模仿真以及叠层钻削缺陷预测与控制模型建立等未来研究方向。     

碳纤维复合材料的钻削加工

文章对国内外研究碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）的钻削加工技术的最新成果作了概述介绍,对钻削ＣＦＲＰ材料时的分层、撕裂等孔加工缺陷进行了分类和简单分析,并指出了提高钻孔质量的关键因素和方法。     

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。     

碳纤维复合材料钻削试验研究

在碳纤维复合材料切削加工过程中,经常会出现分层、劈裂等质量问题。文中为了解决碳纤维复合材料的分层问题,从而达到提高碳纤维复合材料钻削质量的目的,主要从分析碳纤维复合材料切削加工工艺特性入手,利用不同的工艺参数、加工技巧,对其进行了一系列钻削试验。通过分析试验数据,对比试验结果,从优化工艺参数、加工刀具的选用方面,提出了若干适合实际操作的工艺技巧,确定了最优的钻削方法。该方法被广泛应用到了产品中,成功改善了碳纤维复合材料的钻削质量。