碳纤维增强复合材料铣削和钻孔技术研究进展

碳纤维增强复合材料(特别是碳纤维增强树脂基复合材料和碳/碳复合材料)具有比强度和比模量高、耐高温、抗腐蚀等特点,被广泛应用于航空航天等领域.由于碳纤维增强复合材料硬度高、脆性大、层间剪切强度低等特点,使其在加工中容易出现毛刺、分层、撕裂等加工缺陷,并且刀具磨损快、耐用度低.针对碳纤维增强树脂基复合材料和碳/碳复合材料的加工问题,从铣削和钻削两个方面讨论了加工参数、加工刀具、切削力预测以及超声振动钻孔和螺旋铣孔等方面的技术,总结了目前提高碳纤维增强复合材料加工质量的工艺方法.     

旋转超声振动端面磨削CFRP表面质量研究

以多向层铺树脂基碳纤维增强复合材料为研究对象,采用超声振动磨削和普通磨削对其表面加工质量进行了端面磨削试验研究.通过正交试验和单因素试验分析了各工艺参数对工件表面质量的影响规律,并由表面粗糙度及微观形貌进一步分析了磨削机理.试验结果表明:在超声磨削过程中提高主轴转速、减小进给速度,同时采用合适的切削深度和工具粒度,有助于获得高质量的加工表面;超声振动磨削和普通磨削后,工件表面均存在纤维丝断裂、剥离和凹坑等缺陷,超声振动磨削后的加工缺陷出现的程度和概率均较低,表面加工质量较好.     

碳纤热塑复合材料激光连接技术研究进展

碳纤热塑复合材料在航空航天、无人机制造、新能源汽车等领域应用前景广阔,高质量的连接是其产业化应用的关键技术之一.介绍了几种碳纤热塑复合材料激光焊接/连接方法的研究现状,分析了当前研究存在的问题,以及未来研究的发展趋势.     

高精度碳纤维复合材料副反射面天线制备工艺

文摘分析了模具选材、装配工艺过程及机加工工艺对高精度CFC副反射面天线制备的影响,研究了高精度CFC副反射面制备工艺的关键技术,进行了模具材料比较、装配工艺优化及机加工验证试验。结果表明,殷钢是制备高精度CFC副反射面天线的较理想模具材料;在夹层结构装配时采用外蒙皮原位装配技术并单独适配过渡区的蜂窝可有效避免天线型面精度超差;机加工辅助工装与三维摄影测量系统相结合的措施可有效确保装配基准点的高形位精度并大幅缩短天线加工周期。     

HS40碳纤维/氰酸酯树脂复合材料的湿热行为

通过对低温固化HS40碳纤维/氰酸酯树脂复合材料进行不同湿热环境处理以及3次循环吸湿-脱湿处理,研究其湿热行为。结果表明:复合材料在70℃水浸以及70℃/95%RH两种环境吸湿31 d饱和吸湿率分别为0.71%和0.11%,说明该低温固化氰酸酯树脂基复合材料有很好的耐湿热性;研究复合材料的循环吸湿-脱湿行为,发现复合材料在70℃水浴锅中第1次水浸10 d的吸湿率为0.69%,尚未达到饱和,而第2、3次水浸10 d后的吸湿率分别提高到0.72%和0.74%;复合材料的层间剪切强度随着循环次数的增加,降低更为明显,经过3次循环吸湿-脱湿之后试样的层间剪切强度较干态试样降低了50.77%,连续吸水60 d的试样层间剪切强度较干态试样降低了58.98%。     

基于萤火虫算法的CFRP材料铣削刀具结构优化

为了提高CFRP零件的加工表面质量和刀具寿命,针对其铣削加工的刀具结构进行了优化。设计了刀具结构参数与CFRP材料铣削加工表面粗糙度、后刀面磨损量之间的正交试验。应用极差分析法分析了刀具结构参数对CFRP材料加工表面粗糙度、后刀面磨损量的影响规律,并应用多元线性回归法建立了刀具结构参数与表面粗糙度、后刀面磨损量之间的数学模型。基于此模型,采用FA萤火虫算法,优化了刀具的结构参数,并进行了实验验证。结果表明:在试验参数范围内,刀具结构参数对于CFRP工件铣削表面粗糙度的影响程度依次为:后角、螺旋角、前角。当刀具的后角、螺旋角和前角增大时,工件的表面粗糙度都呈减小趋势,但减小的快慢程度不同;刀具结构参数对于后刀面磨损影响程度依次为:后角、螺旋角、前角。当刀具后角增大时,后刀面磨损量迅速上升,当螺旋角增大时,后刀面磨损量减小,当刀具的前角增大时,后刀面磨损量先减小后增大。采用FA萤火虫算法优化后的刀具结构对CFRP材料进行铣削实验,实验结果值与建立的模型预测值误差较小,表面粗糙度的误差率为3%,刀具后刀面磨损量的误差率为7.6%。     

十公斤级固定翼无人机全碳纤维机翼设计与应力分析

根据轻型固定翼无人机性能要求,设计了一款最大起飞结构质量为10 kg、质量轻、强度高、刚度高的固定翼无人机全碳纤维机翼;基于气动性能分析和结构几何设计,建立了机翼结构的三维模型;采用"封闭矩形截面缘条"盒式梁结构,增大了机翼的扭转刚度;建立了机翼结构有限元模型,采用最大应力强度准则,对机翼结构的强度、刚度、稳定性进行了校核。对蒙皮碳纤维铺层结构进行了优化。结果表明,结构应力集中区域位于翼梁根部螺栓孔区域,该区域应力水平决定了结构的初始强度;机翼大梁上缘条根部和附近的蒙皮易发生屈曲;优化后蒙皮减重121.6 g,占机翼初始结构质量的11.94%。     

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。     

碳纤维复合材料壳体用环氧改性有机硅涂料的研制

研制了一种室温固化环氧改性有机硅树脂涂料。研究结果显示,涂料热导率为0.266W/(m.K),比热容为1.993kJ/kg.K;拉伸强度为3.15MPa;断裂伸长率为30%;并具有较好的耐烧蚀性能以及良好的附着力;该涂层短时可耐450℃的高温,并且与碳纤维/环氧复合材料之间具有良好的界面相容性;涂料采用丙酮和二甲苯作为混合溶剂,可用于碳纤维/环氧复合材料壳体表面的外热防护。     

黏胶丝基碳布增强C/C复合材料研究

采用黏胶丝基碳布进行了二维层板C/C复合材料研究。和PAN基碳布进行对比,分别从碳纤维微观结构、表面形貌、碳布物理性能、树脂基复合材料炭化过程残余热应力模拟、C/C复合材料力学和热物理性能表征等方面进行了对比分析和研究。结果表明,2 200℃处理的黏胶丝基碳纤维是非石墨化结构;纤维横断面呈腰子形,碳布纬向纱弯曲。黏胶丝基碳纤维的密度仅1．39 g/cm~3;拉伸模量很低,约50 GPa。炭化过程研究表明,黏胶丝基碳纤维轴向具有持续的正的线膨胀行为,在炭化初期与酚醛树脂的膨胀行为相一致;黏胶丝基碳布增强树脂基材料在800℃的面内自由热应变是PAN基材料的1/8;模拟的炭化过程热应力是PAN基材料的1/60。黏胶丝基C/C层板材料的层剪强度高于PAN基C/C复合材料,达到16．2 MPa;其拉伸强度为46．6 MPa,弯曲强度高达95．5 MPa,拉伸模量与弯曲模量基本一致,约10 GPa。黏胶丝基C/C复合材料在800℃的热导率是6．48 W/(m·K),与PAN基C/C复合材料非常接近;在800℃的线膨胀系数是2．18×10~(-6)/ K,远高于PAN基C/C复合材料的-0．387×10~(-6)/K。总之,黏胶丝基碳纤维由于其表粗糙度大、碳布纬向纱弯曲、极低的拉伸模量、正的轴向线膨胀系数,因而C/C复合材料层剪强度高,成型工艺中热应力低,较PAN基碳纤维更适合于研制不分层的二维C/C复合材料。