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碳纤维增强复合材料孔加工缺陷产生机理、评价与工艺优化研究

魏莹莹  
【摘要】:碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称为CFRP),由于其具有比强度高、比刚度大、热膨胀系数小、抗疲劳性好、耐腐蚀性强、性能可设计等诸多优点,被广泛应用于航空航天、国防及汽车等多个行业。特别是随着复合材料制备和加工技术水平的提高,它越来越多地应用于飞机结构制造中,成为制造大飞机的主体结构材料。结构件通常是通过孔连接来完成最终装配,由于装配孔数量巨大,钻削成为复合材料装配过程中工作量最繁重的机械加工工序。由于碳纤维增强复合材料是由基体材料和碳纤维增强材料混合而成,而基体材料的强度小、硬度低、粘性大,碳纤维材料的强度高、硬度高,所以CFRP复合材料的力学性能呈各向异性,层间强度低于层内强度,导致其在材料去除过程中会出现不协调。具体表现为:在强度较高的方向上,材料会发生分离困难;而在强度较低的方向上,材料容易沿该方向发生缺陷。因此,结合刀具材料和刀具形态、纤维各向异性及加工参数等,研究CFRP复合材料钻削过程中的缺陷产生力学机制、缺陷产生条件和评价方法、以及孔加工工艺优化,对航空用碳纤维复合材料的发展和生产应用有较大的促进作用和实际意义。本文首先从碳纤维复合材料的钻削机理出发,分析了碳纤维复合材料在不同纤维方向角下的切断机理,并针对碳纤维复合材料钻削过程中的四种常用刀具:CVD金刚石涂层三尖钻、CVD金刚石涂层多面钻、硬质合金麻花钻以及硬质合金匕首钻进行了钻削试验,结合钻削后不同纤维方向角处孔壁的SEM成像研究了使用不同刀具钻削后制孔孔壁的表面形貌和缺陷特征。同时对毛刺、撕裂、分层等碳纤维复合材料钻削中常见缺陷的产生机理进行了分析。而后结合薄壁圆板的板壳理论,对钻削分层缺陷进行了力学建模,分析了发生钻削分层的临界轴向力与钻头载荷分布、孔径以及碳纤维复合材料强度之间的关系,并计算了不同钻头发生分层的临界轴向力。通过力学模型发现,钻削过程中钻削轴向力的分布越向钻头中心集中,越容易发生分层损伤,钻削轴向力的分布越均衡于整个孔域,越不容易发生分层缺陷。在钻削试验用的四把刀具中,匕首钻钻削时最不容易发生分层缺陷,三尖钻钻削时最容易发生分层缺陷。其次,对缺陷机理进行分析的目的是为了有效控制缺陷的产生,但控制缺陷的前提是有一套能对碳纤维复合材料缺陷进行准确评价的体系,因而本文分别提出了对毛刺、撕裂、分层的评价方法,并以此为基础提出了一种能对钻削缺陷进行总体评估的综合评价方法。基于碳纤维复合材料孔出口处的光学显微镜成像和碳纤维材料内部分层的超声C扫描成像,应用所提出的缺陷评价方法,本文分析了钻削缺陷随刀具和钻削参数的改变而产生的变化规律,同时针对不同钻头分别给出了为获得最少缺陷应选取的钻削参数范围,并发现四把钻头中,CVD金刚石涂层多面钻在保证获得优质钻削加工质量的前提下加工效率最高。此后,本文对碳纤维复合材料小孔径的制孔工艺展开了进一步研究。在小孔工艺的研究过程中,结合钻削轴向力和钻削参数之间的试验数据和数值拟合结果,分析了不同刀具钻削力随参数的变化特征,结合钻削温度的变化特征和缺陷机理分析的结果,对小孔的制孔工艺参数进行了优化,并根据优化后的工艺参数再次进行了钻削试验,同时基于试验结果分析了工艺对孔径和粗糙度的过程能力,验证了小孔制孔工艺的合理性。最后本文在大孔制孔工艺的研究过程中,对钻扩铰各道工序的钻削力和孔壁形貌进行了分析,并以此为基础优化了大孔的制孔工序。并且通过钻削试验研究了采用该优化工序后各刀具的稳定性,同时对钻削轴向力与材料去除率及制孔数之间的关系进行了数值拟合,在拟合结果的指导下对各工序的换刀方案进行了制定。而后对最终优化的大孔制孔工艺进行了钻削试验,并结合工艺关于孔径和粗糙度的过程能力分析,验证了大孔制孔工艺的合理性。此后在对大孔制孔工艺优化分析的基础上,提出了一种碳纤维复合材料大直径孔专用钻扩铰刀具的设计方法,给出了大直径孔制作过程中各工序间加工余量与分层临界轴向力之间的解析关系,提供了刀具设计过程中相邻工序的加工余量选取准则,保证了所设计刀具在钻削过程中钻削轴向力始终小于发生分层的临界值,从而达到减小碳纤维增强复合材料大直径孔内部分层缺陷并且提高加工效率的目的。


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