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CFRP/Ti叠层界面区域钻削过程分析与层间缺陷抑制

骆彬  
【摘要】:作为一类重要的先进复合材料,碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic/Polymer,CFRP)广泛用于飞机机翼、机身结构中,带来了飞机重量的减小和疲劳寿命的提高,其用量已成为衡量飞机性能的重要指标。飞机装配中,CFRP需要与铝合金(Aluminum,Al)、钛合金(Titanium,Ti)等航空金属进行连接,构成CFRP/Al或CFRP/Ti叠层结构。制孔质量是飞机装配质量的基石。与分层分次方式相比,叠层单次制孔方式提高了孔同轴度和加工效率。CFRP和钛合金同属于难加工材料,且材料属性和切削性能各异,存在诸如切削温度高、刀具磨损快、制孔质量差等加工问题。机翼及机身结构尺寸大、厚度薄,具有刚性弱的特点,使用柔性单边装配设备(如机器人自动制孔系统)加工时,叠层界面区域极易出现层间缺陷,严重影响飞机装配质量和效率。针对上述问题,本文围绕弱刚性CFRP/Ti叠层结构钻削过程和层间缺陷进行研究,主要研究内容如下:1)建立了异质叠层结构界面区域钻削力演变模型。分析CFRP/Ti叠层结构钻削工艺参数和刀具几何特性,将钻削刃分解为具有恒定切削角度的微元刃,并数学化地描述钻削刃几何形状,得到微元刃切削角度和切削参数。构建转化矩阵将切削力从微元坐标系变换到钻削坐标系,将微元钻削力表示为转换矩阵、切削力系数和切削面积的乘积,沿钻削刃积分得到叠层界面区域轴向力和扭矩演变曲线预测模型。分别设计单层和叠层钻削实验,标定单位切削系数,讨论系数随轴向距离、进给率和主轴转速的变化规律。以变化趋势、起始值和终止值等指标评价界面区域钻削力预测模型的有效性,分析预测误差及其产生原因。2)提出了刀具圆角半径表征的磨钝钻头轴向力预测模型。探讨CFRP/Ti叠层结构钻削刀具磨损机理和磨损形式,以圆角半径表征钻削刃磨损的程度,结合钻削力分布规律和Archard磨损模型,推导圆角半径沿钻削刃的变化规律。分析磨钝微元刃的两种材料切削机理,建立微元剪切力和犁耕力表达式,积分轴向分量得到磨钝钻头轴向力曲线预测模型。设计CFRP/Ti叠层结构钻削磨损实验,讨论圆角半径随进给率、切削距离和加工孔数的变化规律。采用外推法分离出剪切力和犁耕力,标定预测模型系数,对比轴向力预测曲线与实验曲线,求解轴向力极值的预测误差,验证模型的有效性。3)建立了考虑工件刚度的钻削轴向力预测模型,探讨了刚度对复材分层缺陷的影响规律。在分析弱刚性结构钻削过程的基础上,指出工件变形改变了钻削实际进给率和轴向力,探讨轴向力与工件变形间的交互影响规律,将变形引起的附加进给率表示为工件挠度对时间微分的函数,建立包含工件刚度的钻削轴向力预测模型。设计并完成弱刚性CFRP钻削实验,分析工件刚度对轴向力曲线和极值的影响规律,观察预测曲线与实验曲线匹配程度、计算极值预测误差。研究刚度影响分层缺陷的规律,寻求低刚度复合结构制孔无分层指标。4)提出了考虑出口回弹的钻削毛刺尺寸预测模型。分析钻削毛刺形成和累积规律,基于塑性滑移理论构建单轮钻削毛刺厚度预测方法,提出确定毛刺类型和毛刺高度的累积判定式,用钻出阶段实际进给率替代设定进给率,建立包含工件刚度的钻削毛刺尺寸预测模型。设计弱刚性钛合金板钻削实验,探讨实际进给率随工件刚度的变化规律,分析工件回弹对毛刺尺寸和类型的影响,对比测量值与预测值验证模型的有效性,并分析预测误差及其产生原因。5)建立了诱导层间缺陷形成的层间间隙预测模型,并提出了层间缺陷抑制方法。依据钻削弱刚性叠层结构的四个特殊时刻,将加工过程划分为五个阶段,确定各阶段初始轴向力和加工时间等边界条件,构建弱刚性叠层结构钻削力预测模型,并提出关联工艺参数的层间间隙预测方法。设计弱刚性CFRP/Ti叠层结构钻削实验,讨论轴向力曲线变化规律,对比预测曲线和测量曲线验证模型有效性,进而预测随加工时间变化的层间间隙曲线。观察CFRP/Ti层间缺陷类型及其随实验变量的变化规律,探讨缺陷形成机理,分析层间损伤与层间间隙间的相关度,构建抑制层间缺陷的临界压脚力预测模型,设计实验验证临界值的有效性。


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