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碳纤维增强复合材料/钛合金叠层变参数钻削实验及仿真研究

王振国  
【摘要】:碳纤维增强复合材料以其高比硬度、高比强度、高阻尼、高抗腐蚀性和低热膨胀系数等诸多优秀的机械性能,现已在航空、国防及交通运输结构件以及体育用品中得到广泛应用,且其用量在整个结构材料中所占的比例也在不断上升。在航空工业中,碳纤维增强复合材料作为飞机结构的主要材料,其不可避免与钛合金及铝合金等金属材料进行连接,从而构成两层或多层碳纤维增强复合材料/金属叠层结构。在主承力结构中,碳纤维增强复合材料与金属材料的连接通常为机械连接。因钛合金与碳纤维增强复合材料有较好的相容性,与碳纤维增强复合材料接触的紧固件等零件通常采用钛合金。为了提高叠层结构装配孔的位置精度,在加工紧固件孔时,通常采用一次性钻削碳纤维增强复合材料/金属叠层材料的方法来替代分别对碳纤维增强复合材料和金属材料钻削的方法。然而,碳纤维增强复合材料和钛合金均属于典型的难加工材料,将这两种在性能上有着巨大差异的材料叠放在一起加工,并同时确保二者均不产生分层、毛刺等缺陷,是当前飞机、火箭等制造领域面临和亟待解决的一大难题。本文采用三维有限元分析仿真和实验研究的方法对碳纤维增强复合材料/钛合金叠层钻削中存在的问题进行研究。首先查阅相关文献对当前碳纤维增强复合材料/钛合金叠层钻削的研究进展以及存在的问题进行了较为深入的总结和概括。并使用有限元分析软件ABAQUS建立了单层及叠层钻削的仿真模型,通过设置钻削仿真参数初步验证了模型的合理性及可用性。之后,通过实验对单层、叠层碳纤维增强复合材料及钛合金钻削进行对比验证,发现叠层钻削的方法确实能通过改善碳纤维增强复合材料出口处的质量,从而有效提高碳纤维增强复合材料的加工质量。最后,通过对比采用了断屑工艺的叠层钻削与连续叠层钻削的实验结果,发现断屑工艺确实能大大改善叠层钻削的加工质量。对于本文选择的碳纤维增强复合材料HTA/6376及钛合金Ti6Al4V和当前加工条件下,对碳纤维增强复合材料采用8500rpm的主轴转速,30mm/min的进给速度,对钛合金采用200rpm的主轴转速,进给速度为10mm/min,时,能得到较好的碳纤维增强复合材料及钛合金加工质量。


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