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CFRP钻削力研究及PCD刀具设计

卢传迪  
【摘要】:碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有耐高温、耐腐蚀、高模量、高强度、低密度、抗蠕变、耐疲劳、导电、传热等特性被广泛地应用在航空航天、工业、交通、土木工程、体育用品等领域。然而,由于CFRP的各向异性、硬度大、层间强度低等特点,在钻削加工时易产生分层损伤、毛刺、撕裂等现象。其中,分层损伤是对CFRP强度影响最大的失效形式,而分层现象的产生与钻削力相关。故本文结合钻削力数学模型以及CFRP材料性能对钻削机理展开了深入研究,建立了钻削力理论模型,为PCD刀具的结构设计提供了理论依据。具体研究内容如下:(1)综合考虑钻削时的转速、进给速度等加工参数,CFRP中碳纤维的铺层角度、各个方向弹性模量、强度等材料参数,钻头的横刃长度、主切削刃长度、大锋角、法前角、法后角等刀具参数,并结合材料力学、断裂力学、接触力学、复合材料力学等学科理论,建立钻削加工CFRP的钻削力模型,以求解轴向力最小的最优刀具参数。(2)使用ABAQUS软件对钻削CFRP过程进行有限元仿真,对比分析不同钻头钻削过程中的轴向力和分层缺陷,并求解钻头的前角、后角、切削刃长度等最优刀具结构参数。(3)依据最优刀具参数,设计PCD刀片式钻头,采用可换刀片结构,并在钻头内部设计吸气孔道,以实现内排屑。(4)搭建实验平台,设计正交实验,分析加工参数对轴向力的影响,并对比PCD刀片式钻头与普通麻花钻头的钻削力和制孔表面形貌,以检验仿真结果的正确性和所设计PCD钻头的制孔质量。


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