碳纤维复合材料切削制孔机理与实验研究

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碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)综合性能突出,具有较高的比刚度和比强度,而且在减振、抗疲劳、耐高温、可设计性方面也优异于传统材料,在航空、航天、国防、汽车等领域拥有着广泛的应用前景。但是碳纤维复合材料机械加工难度较大,特别是CFRP应用中需要大量的孔加工,因此,研究碳提高纤维复合材料制孔质量具有重要意义。本文首先阐述了碳纤维复合材料的国内外关于切削加工、刀具、有限元模拟计算方法等方面的研究现状,总结了加工中存在的主要缺陷,包括孔的进出口撕裂、毛边、进出口分层、孔壁裂纹、孔壁分层、孔壁表面完整性差。其次,建立了单向碳纤维复合材料的二元切削模型。当纤维方向与切削速度方向一致时,能形成较高质量的表面;而当正前角=135°和负前角0°<<90°时,切削形成的表面质量较差。对CFRP的钻削过程进行了分析,并探讨了影响切削力的几个影响因素及影响方式,以及不同形式的刀具引起分层的临界轴向力。介绍螺旋铣制孔工艺,分析了螺旋铣切削层形态。最后,使用有限元软件ABAQUS和试验法,研究了不同刀具选用不同切削参数,对CFRP进行制孔过程中所产生的轴向力、制孔缺陷以及刀具磨损的影响。结论显示,出口处的分层缺陷要明显比进口处显著,分层缺陷以加工孔的出口缺陷为主,在孔壁上存在微裂纹和分层缺陷;大后角麻花钻、螺旋铣、台阶钻、烛心钻能够在一定程度上降低轴向力、抑制进出口缺陷产生、减小孔壁分层缺陷,从而提高加工质量。轴向力、孔口分层缺陷和孔壁表面粗糙度均随着进给量的增大而增大,随着主轴转速的增加而降低。并且进给量对轴向力和孔口分层的影响要大于主轴转速,主轴转速对表面粗糙度的影响要大于进给量。硬质合金对CFRP制孔中的主要缺陷为磨粒磨损、崩刃以及切屑粘附。
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