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。     

双锋角钻头钻削碳纤维增强树脂基复合材料研究

采用双锋角钻头和普通麻花钻对T700碳纤维复合材料(CFRP)进行钻削试验,从钻削轴向力、制孔出口质量和表面粗糙度等方面分析双锋角钻头在不同加工参数下制孔特点,并与普通麻花钻进行对比。试验结果表明:与普通麻花钻对比,双锋角钻头钻削CFRP时钻削轴向力减小约20%,制孔出口质量更好,孔壁的表面粗糙度值减小,体现优异的切削性能更适合CFRP的制孔加工。     

麻花钻几何参数对碳纤维复合材料钻削性能的影响

采用不同几何参数硬质合金麻花钻对碳纤维复合材料(CFRP)进行钻削试验,研究了麻花钻几何参数对钻削轴向力、钻削温度、孔出口撕裂因子L_d及形貌的影响。结果表明:对CFRP进行钻削加工时,钻削轴向力随钻尖角的增大、螺旋角的减小及横刃长度的增大而增大。钻尖角和螺旋角对钻削温度无明显影响,随横刃长度的减小,钻削温度有所降低。小钻尖角和大螺旋角麻花钻制孔的出口撕裂因子L_d较小且形貌较好。综合考虑,钻尖角2θ选在90°~115°,螺旋角卢选用30°甚至更大,横刃长度b_ψ磨到0.2~0.6 mm比较合适。     

CFRP/TC4叠层结构制孔技术对比实验

因CFRP、TC4材料的物理性能差异较大，导致CFRP/TC4叠层构件切削性能匹配性较差，钻削过程中存在界面损伤、CFRP孔壁损伤难以调控的问题。针对上述问题，本文采用变参数啄式钻削工艺、变参数钻削工艺和恒参数钻削工艺对CFRP/TC4叠层结构进行了制孔实验，并对不同工艺条件下的轴向力、界面质量、TC4的切屑形态、CFRP层孔壁质量进行了对比分析。结果表明：相对于其他两种钻削工艺，在变参数啄式钻削工艺条件下，TC4材料层轴向力明显较高，产生短带状和短螺旋状切屑；CFRP层出口和入口处的孔径更接近于名义孔径，孔壁缺陷较少，表面粗糙度相对较小。     

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。     

CFRP铣削有限元模型建立及切削力仿真分析

为探索碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)铣削加工过程中切削力与工艺参数之间的映射关系,建立CFRP铣削加工有限元仿真模型并对切削力进行分析。基于ABAQUS软件通过定义材料属性、材料失效模型、纤维铺层数和纤维方向建立了CFRP铣削加工二维有限元仿真模型,并对该模型进行了实验验证。基于该模型,分析了切削力与纤维方向角、铣削速度、每齿进给量和刀具前角等工艺参数之间的映射关系。仿真结果表明:纤维方向角从0°增大到90°,切削力呈现降低趋势,而纤维方向角从90°增大到180°,切削力呈现增大趋势。随着切削速度和每齿进给量的增大,切削力随之增大,而随着刀具前角增大,切削力随之减小。     

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。     

基于零厚度内聚力单元单向碳纤维增强树脂基复合材料微观切削机理研究

为探究碳纤维复合材料(CFRP)微观切削机理,通过有限元法,采用零厚度内聚力单元模拟界面相,碳纤维建模呈圆柱状并随机分布于基体中,以此来真实反应CFRP的微观结构。通过对各组成相设置不同的材料本构、材料失效和演化准则,对4种典型角度(0°、45°、90°、135°)进行直角切削仿真,探究不同纤维角度下单向碳纤维增强树脂基复合材料(UD-CFRP)在切削过程中的微观切削机理。结果表明:不同纤维角度下CFRP的微观破坏形式不同,切削0°CFRP时破坏主要以界面开裂和纤维折断为主,切削45°和90°CFRP时主要是刀具的侵入破坏,切削135°CFRP时则发生纤维的断裂和沿纤维方向的裂纹,纤维断裂点在刀刃下方。最后,通过实验验证了微观模型的准确性。     

T800碳纤维增强复合材料精密切削加工机理

以正交切削试验为手段,研究T800 CFRP在小切削余量条件下的切削加工过程和表面形成规律,深入探讨了CFRP在精密切削加工中的切削取向、切削参数范围以及刀具刃口钝圆半径等几个关键问题。试验结果表明:CFRP在切削加工中表现出极为显著的各向异性,切削取向非常重要,0°和135°两个纤维方向上获取了较小的切削力,0°和90°两个纤维方向上形成了较为光滑、平整的表面质量。在精密削CFRP的场合,为获得较小的切削力并得到较好的加工表面质量,0°纤维方向角是最佳切削方向,切削速度应达到200 m/min以上,要选择较小的刀具刃口钝圆半径,切削厚度应大于刀具刃口钝圆半径。     

CFRP/TC4叠层结构钻削仿真与实验研究

碳纤维增强复合材料（CFRP）和钛合金（TC4）叠层结构在航空航天领域应用广泛。钻削制孔是保障CFRP与TC4连接的最常见方式。本文为探究CFRP/TC4叠层结构的钻削机理，对CFRP、TC4分别设置材料本构模型和失效准则，建立了不同钻削顺序下的CFRP/TC4叠层结构钻削仿真模型，对不同叠层顺序下的材料去除过程、两相材料和界面损伤形成机制进行了研究。开展了CFRP/TC4叠层结果的钻削实验，采集了钻削轴向力和钻削缺陷，并验证了模型的正确性。本研究可望为CFRP/TC4叠层结构制孔技术研究提供参考。     

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.     

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。     

Non-Fourier heat conduction analysis of a 2-D plate with inner cracks at arbitrary direction angles

This paper investigates the problem of a 2-D plate containing internal cracks at arbitrary angles to the heating surface under thermal shock. The finite difference method is applied to solve the temperature distribution and a difference scheme of the oblique crack is developed. For the first time, a non-Fourier heat transfer analysis method of a 2-D plate with inner cracks at arbitrary direction angles is established. Specifically, for a strip with an inner crack paralleling to the surface,numer...     

碳纤维复合材料/钛合金叠层钻孔工艺优化

在不同的工艺参数下用硬质合金麻花钻分别对碳纤维复合材料板和碳纤维复合材料板/钛合金叠层板进行钻孔,对钻孔过程用Abaqus有限元软件进行三维仿真,对比仿真和试验结果的轴向力和制孔效果。结果表明,在保证制孔的质量的前提下,选取合理的工艺参数,得到叠层材料制孔的工艺参数的优化结论。     

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。