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。     

CFRP管钻孔加工中管径对钻削轴向力与损伤特性的影响

CFRP管制造的传动轴具有优越的性能,被广泛应用于无人机和新能源汽车等高新技术领域。CFRP管中,非轴向分布纤维的屈曲程度决定其初始弯曲应力,并对其钻削过程中的轴向力和加工损伤产生影响。建立了CFRP管的钻削有限元仿真模型,并进一步结合仿真和试验,研究了管径大小对CFRP管钻削轴向力和损伤的影响。结果表明,本文所建立的CFRP管钻削有限元模型具有较高的可靠性;CFRP管的钻削出、入口易在螺旋槽的剥离力和钻头轴向力的作用下产生严重的推出分层和剥离分层,最大钻削轴向力随管径的增大而呈现先减小后增大的“V”型变化趋势;钻削出口存在明显的毛刺和分层损伤,分层损伤因子随管径的增加变化幅度较小;钻削入口的材料剥离长度和钻削出口的材料最大挠度均随管径的增大而增大;最先与钻头接触的材料最大应力随管径增加呈先减小后增加的变化趋势,在管内径为12mm时应力达到最小。     

基于声发射的碳纤维复合材料孔出口分层损伤识别

针对CFRP钻削制孔加工过程中的孔出口分层缺陷监测问题，本文基于声发射检测技术开展了CFRP钻削孔出口分层损伤识别研究。通过破坏性分层试验提取与分层损伤相关的声发射及轴向力信号的时、频特征，以此作为判断钻削分层损伤的信号依据，并开展钻削试验，结合实际损伤形貌对CFRP层合板的孔出口分层损伤进行识别。研究表明：当产生钻削出口分层损伤时，瞬时钻削轴向力会高于临界轴向力；声发射信号的时域幅值将出现突变，频域信号的中、高频段信号强度也会有明显增加。通过显著的信号时、频特征可对钻削孔出口分层损伤进行有效识别，为实现在线监测、控制CFRP层合板钻削分层损伤的研究提供了思路。     

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。     

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。     

碳纤维增强复合材料新钻型结构设计及其对比试验

在碳纤维增强复合材料(CFRP)制孔过程中,易产生毛刺、分层等制孔缺陷,而钻头结构是影响制孔缺陷形成的关键因素。对此,在原有钻型基础上设计了两种新钻型,研究了原有钻型和两种新设计钻型的钻削轴向力和制孔效果。结果表明,在相同钻削工艺参数下,原有钻型"V型"刃的修除阶段的轴向力归零速度最大,新设计的燕尾开槽钻型的最小,这与制孔缺陷的变化规律基本一致,轴向力归零速度与制孔缺陷具有较好的映射关系;3种钻型均能有效减少毛刺,与原有钻型相比,新设计的两种钻型均能更好的去除毛刺和降低制孔缺陷;原有钻型的制孔缺陷以撕裂为主,新设计的开槽新钻型和燕尾开槽新钻型则以分层缺陷为主。据此可为CFRP制孔的刀具结构设计提供新的设计思路。     

层合板干涉螺接分层损伤及其临界干涉量

复合材料层合板的干涉配合连接具有优越的性能,是飞机复合材料结构连接的发展趋势。然而,层合板在干涉连接过程中易出现分层损伤。针对以上问题,采用理论建模与有限元模拟方法研究了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板干涉螺接过程中的分层损伤及其临界干涉量。首先,对CFRP层合板的干涉螺接工艺过程和分层损伤进行力学行为分析;然后,基于虚功原理,建立了各层界面的分层损伤临界轴向力计算模型,结合插钉力与干涉量间的关系,建立临界干涉量的预测模型,求得分层损伤的临界干涉量;最后,采用ABAQUS有限元软件对CFRP层合板干涉螺接过程进行数值模拟,应用内聚力单元建立层合板层间界面,模拟了CFRP层合板在不同干涉量时的分层损伤机理,并通过扫描电子显微镜(SEM)实验观测了细观分层损伤。研究结果显示:干涉量是影响CFRP层合板分层损伤的主要工艺参数;层合板中越靠下边的层间界面,其不产生分层损伤的临界轴向力和临界干涉量越小,即越容易产生分层损伤。     

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-TC4叠层板的钻削实验

采用硬质合金麻花钻对CFRP-TC4叠层板进行钻削试验,分析了钛合金层加工参数对钻削力、钻削温度和加工孔质量的影响。结果表明:随着转速的增加,钛合金层的轴向力逐渐减小;随着钛合金层进给量的增加,钛合金层与CFRP层的轴向力之比逐渐增加。运用指数公式模型对钛合金层轴向力实验结果进行回归分析,得到轴向力与转速以及进给量之间的关系式:F_z=2 088n~(-0.1222)·f_r~(0.2016),并对该方程进行了检验验证,误差均小于10%;在钛合金层进给量不变时,随着钛合金层转速的增加,CFRP的最大烧伤环直径和层间最高温度逐渐增加。     

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。     

Investigation on the interface damage in drilling low-stiffness CFRP/Ti stacks

Carbon fiber reinforced plastic and titanium alloy (CFRP/Ti) stacks have been widely used as aerospace structures because of their excellent combination of physical properties. Interface damage caused by interface gaps, significantly different from that of metal/metal stacks, is a common problem in the through-hole drilling of CFRP/Ti stacks with low stiffness. In this study, a force–deformation coupling model was developed to further examine the formation mechanism and the control method of interface damage. Firstly, the coupling model was built considering the interaction between the thrust force and the deformation. To solve this model, a numerical method was proposed in which specific cutting coefficients were calibrated using only the thrust force of rigid stacks. Secondly, drilling experiments were performed with different feed rates and bending stiffness. Experimental results indicate that interface damage mainly includes interlayer chips and surface damage of CFRP layers. The surface damage, which is irreparable, is caused by the rotary extension of metal chips along the interlayer gap. Thirdly, variations of the interface gap were calculated with the coupling model that had been verified by measured thrust forces. The damage area was found to have a linear dependence relation with the interlayer gap. However, in conditions of large gap sizes, the interface damage areas increased with the interlayer gap at high feed rates, while decreasing slightly at low feed rates. This phenomenon was satisfactorily explained by the presented model. Finally, a method was proposed to determine the appropriate pressure exceeding which no interlayer damage will occur. Additional drilling experiments proved the method effective. This study leads to further understanding of the forming mechanism of interlayer damage and of selecting appropriate parameters in drilling low-stiffness composite/metal stacks.     

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。     

Effect of cooling strategies on performance and mechanism of helical milling of CFRP/Ti-6Al-4V stacks

Hole-making for Carbon Fiber Reinforced Plastics(CFRP)/Ti-6Al-4V stacks is crucial for the assembling strength of aircraft structure parts. This work carried out experimental work for helical milling(HM) of the stacks with sustainable cooling/lubrication(dry, MQL and cryogenic)conditions. Cutting forces and temperatures at the CFRP layer, Ti-6Al-4V layer and the interface of stacks were obtained by a developed measuring system. The temperatures in CFRP machining at cryogenic condition varied fro...     

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。     

CFRP材料振动制孔研究进展

本文对碳纤维增强复合材料(CFRP)的特性进行了回顾,概述了目前纤维叠层材料孔加工缺陷和应对办法。简述了振动辅助加工(VAM)的特点,以及振动辅助钻削加工(VAD)对加工缺陷的抑制机理,最后总结了目前振动辅助钻削CFRP取得的进展。     

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钻削温度场的数值仿真与分析

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...     

阶梯钻钻削碳纤维复合材料-钛合金叠层板刀具磨损试验研究

采用自主磨制的阶梯钻对碳纤维复合材料/钛合金叠层板进行钻削磨损试验,并与普通麻花钻进行对比,分析了阶梯钻刀具磨损过程。实验结果表明:阶梯钻主要磨损区域为横刃、第一后刀面和第二后刀面,其中第二后刀面磨损最为严重,相比普通麻花钻,阶梯钻产生的钻削力更小,阶梯钻刀具寿命远远高于普通麻花钻。     

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。     

CFRP/TC4叠层板的钻削实验

采用硬质合金麻花钻对碳纤维复合材料-钛合金叠层板进行钻削试验,分析了钛合金层加工参数对刀具磨损的影响和刀具磨损机制。刀具磨损对孔入口处最大撕裂长度的影响。结果表明:磨损的主要区域是横刃和后刀面,前刀面磨损不明显。钛合金层的低转速和低进给量可以降低刀具磨损;此外随着钻孔数的增加,钛合金层转速越低、进给量越大碳纤维复合材料孔入口处孔质量更好。