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碳纤维增强复合材料轴向超声辅助钻削试验研究

王晓亮  
【摘要】:碳纤维增强复合材料(CFRP)因其诸多的性能优势被广泛应用于航空航天、土木建筑、交通运输及体育用品等诸多领域。CFRP属于典型的难加工材料,使用过程中往往需要与其它结构进行连接,其制孔过程中极易出现分层、孔口撕裂等制孔缺陷,制孔质量较差,从而大大限制了有效生产率。因此提高CFRP制孔质量有着重要意义。轴向超声钻削技术在硬脆材料加工领域有着独特的优势,其优越的切削性能可以明显降低切削力,提高制孔质量。作为重要的特种加工技术之一,其研究潜力不言而喻。本文以轴向超声钻削CFRP的钻削特性及试验研究为主线,对轴向超声钻削CFRP的作用机理进行研究,探究轴向超声钻削对CFRP切削力及制孔质量的影响规律。通过调试并完善两种轴向超声钻削系统,完成试验平台搭建工作。试验研究以轴向力、钻削分层及孔壁粗糙度为评定指标进行开展,用以验证轴向超声钻削CFRP的制孔优势以及轴向超声振幅对制孔过程中轴向力和制孔质量的影响规律。通过轴向超声钻削CFRP的机理分析和大量的实验研究分析,得出:1.通过对轴向超声钻削的运动学分析和CFRP的切削机理研究,分析了动态切削速度和速度变化幅值与各参数间的关系,对不同切削方向角下CFRP的切削形式进行了定性概括,推导建立了主切削刃的宏观轴向力计算方法,以平均轴向力为指标,在冲击特性的理论上,定性分析了轴向超声钻削具有降低平均轴向力的机理;2.通过钻削试验,发现轴向超声钻削具有明显降低轴向力的作用,钻削参数对轴向力贡献的主次依次为进给量、振幅、转速,钻削轴向力随着轴向超声振幅的增大而逐渐减小,且减小幅度明显;3.轴向超声钻削可以取得更小的分层,且CFRP出口分层因子随轴向超声振幅的增大整体呈现下降趋势,振幅越大,分层因子则越小;4.轴向超声钻削的修整作用可以减低孔壁粗糙度,能够取得更好的孔壁形貌,且随着振幅的增大,孔壁表面型貌质量整体呈现向好趋势。


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