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叠层复合材料钻削加工缺陷产生机理及工艺参数优化

李桂玉  
【摘要】:近几十年来,复合材料在航天、航空、汽车、造船、化工及土建方面得到日益广泛的应用。使用复合材料既减轻了机体的结构重量,又可大大提升飞机的承载量,也大大延伸了飞机的航程。然而,由于复合材料特有的叠层结构,造成其在加工过程中极易产生分层、撕裂、毛刺等加工缺陷,严重影响了复合材料的钻孔精度,进一步制约了复合材料构件的生产效率和加工质量,因此,对复合材料钻削技术进行系统研究成为当前急需解决的问题。复合材料力学在20世纪60年代后发展的步伐明显加快,对复合材料的疲劳、断裂、蠕变等特性从宏观到微观都提出了相对成熟的理论体系,为复合材料的静态性能分析提供了良好的研究平台。复合材料常用的加工方法分为常规加工和非常规加工两类,而在常规加工方法中,钻削加工约占总切削加工量的50%以上,是最主要的切削加工形式。目前,对于碳纤维复合材料的钻削机理研究主要是在钻削力和扭矩、钻削温度、钻削加工质量、缺陷控制、钻头磨损等方面进行分析和讨论。另外对复合材料的切削加工进行有限元仿真,也是目前对复合材料加工机理研究的热点问题。 复合材料的编织方式确定和基本性能分析是进行复合材料整体材料特性以及钻削机理研究的重要前提。根据单层板的材料性能参数,结合层合板的排列方式,通过对层合板单元的初始“屈服”强度和极限强度进行计算,获得层合板的屈服强度值为264.25 MPa,此时层合板的屈服应变值为0.3655%;层合板的极限强度值为1038.25 MPa,层合板产生失效的最大应变值为1.5045%。对叠层复合材料与硬质合金之间的摩擦特性进行了实验研究,获得复合材料与硬质合金的摩擦系数大约在0.15-0.3之间,且载荷变化对摩擦系数的影响不大。另外随着速度的增加,复合材料与硬质合金之间的摩擦系数并不呈单调的变化趋势,中间速度(140 m/min)的摩擦系数最大,低速(100 m/min)次之,高速(180 m/min)最小,而摩擦温度具有与摩擦系数相类似的变化趋势。从磨痕形貌分析,随着滑动速度的增加,复合材料与硬质合金之间的磨损形式从磨粒磨损到粘结磨损再到磨粒磨损,通过对磨痕形貌的定量分析,获得摩擦系数关于平均接触应力和滑动速度的经验公式,为摩擦系数预测提供理论计算模型。 复合材料的各向异性特点以及层合板特有的叠层结构,使得钻削过程中的应力、应变分布情况极为复杂,在实验中难以直接进行测量,同时又不能简单地套用经典切削理论。使用有限元仿真的方法进行分析,与实验和经验方式相比,可以从机理方面更好地诠释加工现象。材料本构模型和失效模型的构建是建立切削加工有限元仿真模型的重要前提,也是决定有限元模型成功与否的关键。采用实体单元层合板,建立不同铺层方向的材料本构模型,将拉伸模型仿真结果同理论计算结果进行对比,验证层合板材料性能参数及建模方法的可用性和准确性,证明该材料模型适合于复合材料层合板有限元仿真模型的建立。基于层合板材料模型,选用Hashin Damage失效准则,通过定义纤维拉伸断裂、纤维压缩屈曲、基体在横向拉伸和剪切下的断裂、基体在横向压缩和剪切下的压溃等情况下的极限应力,模拟复合材料层合板加工中的失效模式。从仿真结果可以看出,钻削加工中的应力以钻头轴线为中心呈圆周对称分布,且容易在两个层合板单元之间的边界区域沿着纤维轴向进行扩展,随着钻削运动的进行,钻头对材料的推挤作用逐渐演化成剪切作用,应力的影响范围逐渐减小。对不同钻头直径和不同主轴转速的钻削加工进行了仿真分析,结果表明轴向力的变化斜率随着主轴转速的增大而增大,轴向力的数值大小随着钻头直径的增加而略微增大。 复合材料钻削加工中产生的加工缺陷一直是阻碍复合材料钻削工艺发展的根本原因。复合材料在钻削加工中容易在出口侧出现残留毛刺、表层纤维层撕裂与脱粘、孔壁表面粗糙度大等加工缺陷,通过分析缺陷产生原因,并建立加工质量与钻削工艺参数的关系,获得复合材料钻削缺陷控制方法。轴向力和扭矩是评价钻削性能优劣的重要参数,通过正交实验获得轴向力和扭矩随主轴转速和每转进给量的变化规律,并采用回归分析的方法获得轴向力和扭矩的经验公式。对复合材料钻削加工孔壁表面粗糙度进行测量,发现表面粗糙度评定参数Sq值随着主轴转速的增加基本呈增大趋势,高度分布倾斜度参数Ssk表明复合材料的钻削加工表面轮廓较为尖锐,具有较多的纤维拔断和纤维束脱落,呈现较差的表面支撑性能,随着主轴转速的提高,表面支撑性能有所改善。把轴向力看作集中力作用在未切削厚度上,提出“临界轴向力”概念,通过对“临界轴向力”公式进行分析与求值,得到复合材料钻削加工中的分层规律并进行了实验验证。根据钻头切削刃轴向力的分布规律,分析孔出口侧撕裂和毛刺的产生原因,并对出口侧撕裂长度进行测量分析,建立其与轴向力间的关系,获得撕裂长度的预测公式。 针对复合材料钻削加工中存在的低合格率、高成本、低效率问题,对钻削加工系统中的钻头几何参数和工艺参数进行优化,建立复合材料钻削加工的优化策略,并给出各个参数值的优选范围。以主轴转速、每转进给量、横刃偏心系数、锋角为决策变量,以最大材料去除率为优化目标,以加工表面质量评价指标为约束条件,主要包括分层缺陷、表面粗糙度、撕裂长度和形状精度,建立工艺参数优化模型,利用Matlab优化算法,获得达到最大材料去除率的最优参数组合,在保证加工质量的同时实现生产效率的最大化。通过对钻头结构参数选用原则的论述,确定钻头锋角和横刃长度的适用范围,建立基于不同刀具结构参数的材料去除率最大化优化数学模型,结合可行域的控制方程,在保证加工质量的前提下,实现了在已知横刃长度及锋角条件下所能达到的最大材料去除率数值,并获得相对应的加工参数组合。


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