碳纤维复合材料低温钻削试验研究

【摘要】：碳纤维复合材料由于具有高强度、高模量、热膨胀系数小、抗疲劳性能好以及耐腐蚀等优点,在航空航天、风电叶片、体育、汽车等众多领域中得到了广泛的应用。钻削加工是碳纤维复合材料的主要切削加工形式之一,然而由于碳纤维复合材料自身各向异性、高硬度等特点,且在钻削加工中切削热不易散出,使得材料在加工中易产生损伤,如出口撕裂、毛刺损伤、孔壁出现凹坑等缺陷,这将严重影响材料的使用性能和安全性能,也制约了碳纤维复合材料在高端装备中的应用。因此,如何实现碳纤维复合材料高效低损伤钻削加工一直是研究的重要课题。本文以碳纤维复合材料的低温性质为基础,提出以液氮介质冷却工艺对其进行钻削制孔试验研究。主要的研究工作如下:归纳了碳纤维复合材料在不同温度下的力学性能和物理性能,分析了碳纤维复合材料的低温切削机理以及钻削制孔的形成过程,从而为研究其在低温下制孔损伤的抑制机理提供了理论基础。开展了碳纤维复合材料低温钻削声发射监测试验,通过单因素法对比了液氮冷却和常温干式下钻削温度的变化以及声发射信号有效值的变化规律。通过以钻削制孔的加工质量为判定依据,分析了液氮冷却和工艺参数对孔出口质量的影响,并与干式钻削进行了对比,得出了液氮冷却下无撕裂缺陷的较优工艺参数范围。观察分析了钻削后孔壁的表面形貌,分析出孔壁表面不同切削角度下质量不同的原因,以及对比了常温干式和液氮低温冷却条件下的孔壁形貌特点及表面粗糙度的变化规律。进行了液氮冷却下的刀具磨损实验研究,主要从加工孔数与刀具磨损的关系,以及刀具磨损对孔出口质量、出口振动信号的影响等三个方面进行对比与分析。得出同一制孔刀具在较优进给速度下能满足加工要求的最大孔数,以及验证了利用振动信号监测刀具磨损状态的有效性。从液氮低温钻削声发射监测试验以及刀具磨损试验结果来看,液氮冷却作用下能够有效的降低钻削区域的瞬时温度,刀具磨损趋势放缓,刀具使用寿命提高,同时液氮冷却对出口处撕裂缺陷起到了较好的抑制作用,并大幅减小了毛刺损伤,且在低进给下基本上没有看到较为明显的凹坑现象,其孔壁质量显著提高,基本上实现了碳纤维复合材料的高效低损伤钻削加工。