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芳纶纤维复合材料液氮冷却钻削实验研究

王晋宇  
【摘要】:芳纶纤维复合材料(AFRP)具有优异的特性,例如高比强度、低密度、耐疲劳性和耐烧蚀性等,近年来在航空航天、军工防弹体等应用中该材料构件需求逐年增高。在AFRP与其它工件进行装配连接时,往往需要对其进行钻孔工艺加工。然而由于AFRP的高韧性、多相性、非均匀性和各向异性特点,在机加工中的破坏情况复杂,极容易造成毛刺、分层和烧蚀等加工缺陷,是一种典型的难切削加工材料。为抑制AFRP钻孔产生的烧蚀和起毛等缺陷,提出利用液氮作为冷却介质对AFRP进行钻孔方法。开展超低温条件下AFRP的物理力学能性实验;为满足液氮外喷加工条件时液氮稳定可变的实验需求,构建液氮变流量功能平台。利用该平台进行AFRP干式钻削和液氮冷却钻削正交探索实验,对比分析其切削加工性能。主要研究内容如下:探索切削力/热对二次加工损伤的影响机理。在超低温环境下对AFRP进行力学性能实验;分析AFRP切削过程中的力学原理,根据轴向力产生的机理,揭示AFRP在钻孔过程中毛刺、分层和烧蚀缺陷产生的原因。为满足AFRP液氮冷却超低温加工实验中对液氮稳定可变的需求,根据液氮流体温度极低和容易汽化的特点,对液氮变流量功能平台的关键装置进行选型。设计基于Labview软件的液氮流量调控系统,实现液氮20Kg/h~120Kg/h流量的稳定输出,为AFRP超低温钻削实验提供保障。设计AFRP正交钻孔实验,分析加工参数与切削力和切削温度的关系。对比分析液氮冷却加工方法对切削力/热的影响;对AFRP加工产生的毛刺、分层、烧蚀和制孔精度等加工质量进行分析研究。经过对AFRP液氮冷却钻孔实验对比结果分析,表明了该加工方式可以抑制钻孔时的加工缺陷,提高钻孔几何精度。是一种适应该材料高效低损加工的新工艺方法。


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