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CFRP低损伤钻削制孔关键技术研究

付饶  
【摘要】:碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic,CFRP)具有高比强度、高比刚度等特点,易实现构件整体制造,已成为航空、航天等领域高端装备减重增效的首选材料。CFRP构件在装配连接时需加工大量连接孔且制孔损伤容限要求苛刻。传统的钻削是现阶段CFRP构件制孔的主要途径。然而CFRP细观呈高强纤维相和低强树脂及界面相构成的多相混合形态,宏观具有非均质、各向异性和层叠等特征且对温度敏感。钻削制孔时,在力、热作用下,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的分层、毛刺等损伤,制约了 CFRP在高端装备中的应用。因此,CFRP低损伤钻削制孔对现有加工技术提出严峻挑战,研究意义重大。国内外已开展大量有益的研究,但原有CFRP切削理论不能从根本上揭示和解决切削力作用下,CFRP钻削制孔出口区域材料体外约束弱所导致的损伤易发的问题,难以开发合适的工具;缺乏温度对CFRP切削性能影响和钻削制孔出口区域温度特征的系统研究,难以制定合理的工艺,钻削制孔的损伤仍易发且严重。本文从CFRP钻削制孔出口单侧弱约束区域材料的切削理论和切削区域温度对CFRP切削性能的影响规律的研究着手,提出合理控制切削力,降低切削温度影响的方法和策略,研发出钻削制孔刀具和工艺关键技术,实现CFRP低损伤钻削制孔。开展以下四个方面研究:(1)为揭示CFRP钻削制孔出口区域材料的切削机理和损伤机制,对此处材料的约束状态进行分析,建立了 CFRP切削加工中单侧弱约束区域材料的单纤维切削模型;考虑纤维的各向异性特征,建立了刀具对纤维切削的接触模型。据此,解析求解出切削力作用下,纤维断裂和树脂及界面的开裂规律。分析了刀刃圆弧半径,切削方向以及刀工接触位置对材料去除和损伤的影响,发现切削方向的影响最为显著,从体外弱约束侧向体内强约束侧切削,能够有效避免树脂及界面开裂同时切断纤维,抑制CFRP切削损伤。为合理控制切削力、抑制钻削制孔出口区域的加工损伤提供了理论依据。(2)树脂高温软化、低温脆化,影响CFRP的切削性能。采用高速摄影-显微观测技术,研究了不同温度下CFRP单向层合板的切削成屑特征,揭示了温度对典型切削角材料切削性能的不同影响机制。考虑切削CFRP多向层合板各铺向材料受温度影响的综合作用,对多向层合板进行控温切削实验。综合评定切削区域温度对多向层合板切削性能的影响,并探讨切削量和刀具结构对温度和质量的影响,应控制切削区域温度尽量大幅度低于玻璃转化温度,实现低损伤切削,但温度不宜过低,避免切削力剧增和边缘崩裂。(3)CFRP力学性能和热性能各向异性,钻削制孔出口区域温度特征复杂,难以准确描述。采用高频微距红外测温技术,研究了钻削CFRP单向和多向层合板过程中出口区域的温度分布特征。揭示了典型钻削位置,呈不同切削角出口材料的温度与切削状态的密切关系;分析了公称直径位置温度的时变特性和出口区域的最高温度分布;揭示了铺向对温度特征和钻削制孔质量的影响,为抑制温度影响的钻削制孔工艺制定提供了指导。(4)基于切削去除行为的研究,提出了“反向剪切”CFRP切削损伤抑制原理,发明了钻削制孔刀具的大右旋螺旋角微齿结构,实现了在沿厚度方向进给钻削的同时,附加与进给方向相反的相对切削运动,对出口区域材料实施从出口体外向体内的“反向剪切”。钻削对比实验发现具有“反向剪切”微齿结构的双顶角钻有效抑制了毛刺、分层损伤并提高了刀具寿命,验证了“反向剪切”CFRP切削损伤抑制原理的正确性以及以微齿结构实施“反向剪切”的有效性。发明的系列化微齿钻削制孔刀具,改变了原有刀具仅沿进给和旋转方向切削出口材料的作用模式,实现了 CFRP低损伤钻削制孔。基于约束和温度对CFRP切削性能的影响规律,提出了在入口侧控制吸入气体的逆向吸气冷却钻削制孔工艺,与干式钻削制孔工艺相比,降低了钻削温度,有效抑制了钻削制孔损伤。通过上述研究,实现了 CFRP弱约束区域材料切削加工原理的创新,揭示了温度对CFRP切削性能影响规律和钻削制孔出口区域的温度特征;研制了“反向剪切”微齿钻削制孔刀具和逆向吸气冷却钻削制孔工艺两项关键技术;经实验室实验和企业测试,证明了低损伤钻削制孔关键技术的有效性,为CFRP低损伤钻削制孔提供了新途径。


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