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碳纤维复合材料(CFRP)钻削加工技术的研究

张厚江  
【摘要】:碳纤维增强复合材料(简称碳纤维复合材料)具有比强度、比模量高、抗疲劳性能好、耐热性能优良等优点,已广泛用于航空、航天、汽车、体育娱乐及其它领域。 本文对碳纤维复合材料钻削技术尤其是高速钻削技术和高质量制孔技术进行了研究。为进行碳纤维复合材料高速钻削试验,专门研制了卧式和立式两种复合材料高速钻削试验台。使用结果表明两种高速钻削试验台是国内复合材料高速钻削研究和其他材料的小孔高速钻削研究比较好的试验装置。 以碳纤维复合材料直角自由切削为对象,探讨了碳纤维复合材料在切削过程中的切削变形、切屑形成等问题,对直角自由切削的切削力进行了理论推导,得到了较为满意的数学关系式。 对碳纤维复合材料高速钻削时的钻削力进行了试验研究,探讨了切削参数变化对钻削力的影响,建立了具有实用价值的综合考虑主轴(钻头)转速、进给速度、钻头直径影响的钻削力经验公式。 碳纤维复合材料的孔壁表面微观形态是孔加工质量的重要特征之一。本文利用电子显微镜对孔壁表面微观形态进行了详细观察分析,首次得到了许多孔壁表面微观形态的SEM照片,并得出了很多有益的结论。 碳纤维复合材料孔出口缺陷包括撕裂和毛边等两部分,本文对两者的典型形式进行了模型总结,认为撕裂的形成过程包括横刃作用和主切削刃作用两个阶段,并根据钻削试验结果探讨了钻削参数变化对撕裂大小的影响。 分层是碳纤维复合材料孔加工的最主要缺陷之一,对钻孔后不同深度每一层间的分层具体情况的研究到目前还是个空白点。本文阐述了作者摸索到的两种层间分层检测方法,即氯化金滲透液检测法和声学显微镜检测法,首次成功地检测出不同深度各层间分层的确切情况,建立了孔加工分层立体模型,探讨了各层间分层尺寸与钻削参数间的关系,并从理论角度对分层进行了研究。 本文最后对碳纤维复合材料高质量制孔技术进行了试验研究,给出了几种金刚石钻头的结构,经钻削试验发现金刚石钻头是碳纤维复合材料高质量制孔的良好工具和今后发展方向。


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