振幅对低频振动钻削CFRP/钛合金叠层材料的影响

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)和钛合金组成的叠层材料因其出色的性能被广泛应用在航空航天领域。但两种材料的加工性能差异较大,在叠层材料一体化制孔过程中,CFRP制孔表面极易受到钛合金切屑排出的影响,出现入口撕裂、孔壁划伤等缺陷。为提高叠层材料制孔质量,通过低频振动钻削与传统钻削的对比试验,研究了刀具不同振幅(A=0μm、20μm、40μm、60μm)参数对切削力、切削温度及制孔质量等的影响。结果发现:钻削平均轴向力随着振幅增大而减小,而最大钻削轴向力增大。低频振动钻削较传统钻削加工温度有所下降。振动钻削对分层缺陷没有改善,且有增大缺陷的趋势,但对CFRP孔壁质量有明显改善。     

CFRP制孔加工技术的研究进展与发展趋势

碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)因具有优异的物理和力学性能已广泛应用于航空、航天和汽车等领域的结构件制造。然而,CFRP材料和金属材料的属性截然不同,具有非匀质性和各向异性,在制孔加工过程中,极易产生分层、撕裂、毛刺等缺陷,严重影响其制孔质量。因此,CFRP-金属叠层结构制孔技术成为飞机连接装配过程中的一大难点。本文归纳了近年来CFRP钻削加工机理的研究现状,总结出CFRP切屑形成机理与纤维方向角的关系,轴向钻削力和钻削温度与刀具形状、工件材料和工艺参数之间的关系;分析了CFRP钻削过程中分层、毛刺、撕裂等典型加工缺陷的产生原因、检测和评价方法及抑制措施;探讨了CFRP制孔刀具材料、几何结构及仿真研究方面的最新进展,提出建立准确可靠的CFRP材料本构模型是钻削加工模拟仿真技术研究的关键;通过对变工艺参数钻削加工、机器人自动制孔加工及吸气式内排屑钻削加工等新型CFRP制孔加工技术的介绍,展望了CFRP制孔技术的发展趋势。     

旋转超声钻削碳纤维复合材料钻削力和扭矩的研究

针对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工过程中的问题,对金刚石套料钻旋转超声钻削CFRP-T700型复合材料展开了研究。研究发现,钻削力随主轴转速的增加具有减小的趋势,而扭矩则随着主轴转速的增加,呈现增大的趋势;与传统加工相比,旋转超声振动钻削可降低切削力及扭矩达56.6%和39.1%,有效抑制加工缺陷的产生。初步建立了切削力和扭矩之间的数学模型,并通过试验对切削力和扭矩之间的比例常数k加以验证。研究结果表明,旋转超声钻削CFRP在降低切削力和扭矩方面有较大优势。     

高低频复合振动钻削CFRP/钛合金叠层结构试验

针对碳纤维增强复合材料（CFRP）和钛合金叠层结构在传统钻削过程中切削温度高、加工质量差等问题,基于低频振动钻削和高频（超声）振动钻削的优势,提出了高低频复合振动钻削的加工方法。采用自主研制的高低频复合振动钻削装置,对CFRP/钛合金叠层结构进行了制孔试验,对比研究了普通钻削、超声钻削、低频振动钻削和高低频复合振动钻削4种方式下的切削力、钛合金切屑形貌、切削温度和CFRP孔加工质量。结果表明：4种加工方式中,高低频复合振动钻削的轴向力波动相对较大,切削温度显著降低,产生的钛合金切屑呈不连续扇形且整体尺寸最小,CFRP孔出入口及孔壁的损伤程度最低,显著提高了加工质量,为复合材料叠层结构一体化制孔加工提供了指导意义。     

CFRP/钛合金叠层材料制孔技术的现状与展望

综述了近年来国内外对CFRP/钛合金叠层材料制孔技术的研究进展,重点介绍了传统方法钻削CFRP/钛合金叠层材料过程中轴向力和扭矩、钻削温度的测量方法,轴向力和扭矩的变化规律,以及刀具磨损、加工损伤与钻削工艺的关系;对螺旋铣孔、低频振动钻孔和超声辅助振动钻孔的实现方法、运动特点和加工质量进行了分析总结,并对CFRP/钛合金叠层材料制孔技术的应用和研究动向进行了探讨。     

碳纤维复合材料制孔新工艺及实验研究

针对碳纤维复合材料(CFRP)传统钻削加工容易出现孔口缺陷的问题,本文首先从理论上分析了缺陷产生的机理。在此基础上提出了"以磨代钻、钻磨结合"的CFRP制孔加工新工艺,从加工机理上避免了孔口缺陷的产生。并研制出新型的大孔用电镀CBN钻磨复合刀具和小孔专用砂轮,进行了具体钻磨复合制孔实验。结果表明,此工艺CFRP高精度和高质量的孔加工提供了一条行之有效的加工方法。     

CFRP/Al制孔分层临界轴向力研究

针对CFRP/Al在钻削加工中容易产生分层缺陷,而临界轴向力是表征叠层材料制孔损伤的基本参数,本文基于能量法建立了钻削Al/CFRP、CFRP/Al产生分层损伤的临界轴向力模型,并利用Abaqus软件对CFRP/Al钻削过程进行了数值模拟,得到了轴向力变化曲线。     

碳纤维复合材料钻削加工对比试验

本文以CFRP材料为研究对象,使用钎焊金刚石套料钻和硬质合金麻花钻进行钻削加工试验,并对比2种钻头加工孔的质量和钻头磨损形貌,目的在于探讨钎焊金刚石套料钻加工CFRP材料的适用性。     

4J29可伐合金超声振动辅助钻削试验研究

4J29可伐合金由于具有和奥氏体不锈钢相近的难切削特点,传统钻削制孔质量较差,为了研究4J29可伐合金制孔质量的影响因素,提高制孔质量,对4J29合金进行了不同加工参数下的普通钻削和超声振动辅助钻削试验并对钻削轴向力、孔径误差、孔壁粗糙度进行了测量。试验发现:4J29可伐合金在不同加工参数下(切削速度v=0.314～0.942m/s,进给速度f=10～30mm/min),超声振动辅助钻削可降低钻削轴向力,轴向力平均降低35.37N,降幅为18.45%;超声振动辅助钻削可提高制孔精度,孔径误差平均减小17.9μm,降幅为31.5%;超声振动辅助钻削可提高表面质量,对于轮廓算术平均偏差Ra,超声振动辅助钻削使其平均降低了0.4862μm,降幅为28.4%,微观不平度十点高度Rz平均降低了2.4940μm,降幅为20.0%。试验表明超声振动钻削4J29可伐合金比传统钻削加工更具优势,可获得质量更高的加工孔。     

振动辅助钻削对CFRP/钛合金叠层结构孔径阶差影响规律实验研究

在飞机部件装配过程中，CFRP/钛合金叠层结构的连接十分常见，而由于两种材料迥然不同的材料性能，导致制孔后存在孔径阶差，严重影响了CFRP/钛合金结构的疲劳强度。本文开展了低频轴向振动辅助钻削的正交实验，分析了低频振动辅助钻削工艺参数与切削力和切屑形态的关系以及工艺参数对CFRP/钛合金孔径阶差的影响。结果表明，由于低频振动辅助钻削刀具的周期性进给，钛合金切屑由连续长切屑变为扇形短屑，减少了对CFRP的扩孔效应，钻削区域切削热降低，平均轴向力降低；另外，振幅和进给量对孔径阶差的影响较为显著，而主轴转速的影响较小，且孔径阶差随着振幅的增大先减小后增大，随着进给量的增大而增大。通过试验验证和分析，确定面向孔径控制的最优工艺参数组合方案：主轴转速为600 r/min、进给量为0.02 mm/r、振幅为150 μm。     

Defect suppression mechanism of ultrasonic vibration-assisted drilling carbon fiber/bismaleimide composite

Ultrasonic vibration-assisted drilling (UVAD) has recently been successfully applied in the drilling of carbon fiber reinforced polymer/plastic (CFRP) due to its high reliability. Multiple defects have been observed in the CFRP drilling process which negatively affects the quality of the hole. The carbon fiber/bismaleimide (BMI) composites is an advanced kind of CFRPs with greater strength and heat resistance, having been rapidly applied in lightweight and high temperature resistant structures in the aerospace field. To suppress the defect during the drilling of carbon fiber/BMI composites, it is necessary to comprehensively understand the defect formation and suppression mechanism at different positions. In this study, the defects formation in both conventional drilling (CD) and UVAD were observed and analyzed. The variation trend in the defect factor and thrust force with the spindle speed and feed rate were acquired. The results revealed that the UVAD could significantly enhance the hole’s quality with no delamination and burr. Meanwhile, the defect suppression mechanism and thrust force in UVAD were analyzed and verified, where the method of rod chip removal affected the exit defect formation. In summary, UVAD can be considered a promising and competitive technique for drilling carbon fiber/BMI composites.     

CFRP复合材料超声振动套孔分层抑制机理分析

针对碳纤维增强复合材料在传统钻孔过程易出现分层缺陷,采用金刚石空心套刀和超声振动加工技术进行了CFRP超声振动套孔分层抑制机理分析。理论分析了传统麻花钻钻孔与金刚石套刀普通套孔过程的分层机理及评价,超声振动套孔对分层抑制的机理,并且进行了实验验证。结果表明:相比于CFRP普通套孔,超声振动套孔能够有效提高套刀切削性能和排屑效果,降低钻削力12.5%～19.2%,抑制切屑粉尘黏附套刀和料芯堵塞套刀,抑制CFRP分层缺陷形成,改善孔表面质量。     

碳纤维复合材料孔加工质量试验研究

碳纤维复合材料零件上存在大量的装配工艺孔,采用传统孔加工方式过程中容易导致分层、纤维
撕裂等缺陷. 本文通过钻削和螺旋铣削方式加工碳纤维复合材料(CFRP),对比两种孔加工方法的加工质量,
分析了缺陷存在的原因,发现在碳纤维复合材料上采用螺旋铣削制孔方式是可行的,对碳纤维复合材料孔加工
工艺具有一定的参考价值。     

CFRP/TC4叠层结构钻削仿真与实验研究

为探究CFRP/TC4叠层结构不同叠层顺序下的材料去除过程、两相材料及界面损伤形成机理,建立CFRP/TC4叠层结构钻削的有限元模型,并通过实验获得的轴向力、缺陷类型验证了模型的正确性。研究结果表明,当钻削顺序为CFRP→TC4时,CFRP入口处产生以撕裂型为主的入口分层,CFRP出口处未产生明显的推出分层,但在钻头的持续旋转作用下形成界面分层;当钻削顺序为TC4→CFRP时,当钛合金待切削层厚度较低时,轴向推力超过CFRP层间界面结合强度时产生界面相失效,TC4→CFRP的界面损伤比CFRP→TC4更加严重;TC4→CFRP主要形成以张开型、滑开型裂纹扩展为主的推出分层。     

铺层顺序对碳纤维复合材料钻削分层制孔的影响

在碳纤维环氧树脂基复合材料的钻削制孔加工过程中会产生很多种类的缺陷,其中分层损伤是最难以控制的缺陷,严重影响机械连接的有效性和材料的使用性能。将铺层规则尤其是防分层规则应用于层合板铺层顺序优化中,使用Memetic算法得出防止碳纤维板分层的铺层顺序,并设计CFRP制孔试验加以论证。试验结果表明,复合材料铺层角度对分层缺陷有重要影响,优化后的碳纤维复合材料可有效减少分层、毛刺缺陷。     

CFRP钻削温度场的数值仿真与分析

文摘为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)钻削过程传热规律及温度分布特性,在对材料热物理特性均匀化处理的基础上,利用COMSOL Multiphysics建立单向CFRP钻削温度场数值仿真模型,探究钻削过程中热量传递及温度场分布规律。结果表明,出口处温度场呈椭圆形分布状态,椭圆形最小值离心率e为0.771,且椭圆的长轴和纤维方向平行。通过实验对比,纤维方向和垂直纤维方向的温度误差分别为7.5%和7.8%,实验结果验证了数值仿真模型的正确性。     

Enhanced ultrasonic total focusing imaging of CFRP corner with ray theory-based homogenization technique

Ultrasonic testing is effective in defect characterization and quality assurance of Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) components in the aerospace industry. Due to the coupling between complex shape and elastic anisotropy, the Phased Array Ultrasonic Testing (PAUT) and time-based Total Focusing Method (TFM) face significant challenges in the calculation of wave propagation. A wave velocity distribution model is established for a multidirectional convex corner of CFRP based on a homogenization theory and the above coupling effects are also incorporated. A ray-tracing method is proposed based on Dijkstra’s shortest path search algorithm. The predicted time of flight ensures that this technique, the homogenized TFM, could synthesize a high-quality focused image by post-processing on the full matrix capture data. Experiments on a laminate with three ?1.5 mm Side-Drilled Holes (SDHs) in different circumferential directions confirm a successful homogenized TFM imaging that all SDHs can be effectively detected. As compared to the isotropic scenario, the maximum positioning error is reduced to 0.12, 0.08, and 0.38 mm, and the Signal-to-Noise Ratios (SNRs) are increased by 2.1, 1.1, and 11.8 dB, respectively. It is suggested that the ray-tracing assisted TFM technique can effectively improve the imaging of corners in CFRP components.     

碳纤维与芳纶纤维复合材料机械加工刀具选用

通过对复合材料特性和加工机理的分析,论述了复合材料机械加工对刀具材质、结构和几何参数的要求,介绍了几种适合于碳纤维和芳纶纤维复合材料机械加工的钻削和铣削刀具.