切削力和熱對(duì)C-E復(fù)合材料制孔損傷的影響機(jī)理.pdf

1、碳纖維/樹脂基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱:C/E復(fù)合材料），因其高比模量、高比強(qiáng)度特性和優(yōu)越的可設(shè)計(jì)性、抗疲勞性、抗腐蝕性以及較高的減重效率，在運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)等航空航天領(lǐng)域高端裝備中得到快速推廣應(yīng)用，其應(yīng)用比例已經(jīng)成為航空航天飛行器先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。大型C/E復(fù)合材料構(gòu)件上有眾多的裝配連接孔、異型窗口以及輪廓邊緣等需要機(jī)械加工。然而由于C/E復(fù)合材料獨(dú)特的層合結(jié)構(gòu)、各向異性等特點(diǎn)及樹脂基體對(duì)切削熱的高敏感性，導(dǎo)致加工過程極易產(chǎn)生無法修復(fù)的

2、毛刺、撕裂和分層等多形態(tài)、多尺度加工損傷，給高端空天裝備的高可靠長(zhǎng)壽命使役帶來極大的安全隱患。C/E復(fù)合材料的高質(zhì)高效加工技術(shù)，不僅是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，也是制造領(lǐng)域公認(rèn)的難題之一。隨著復(fù)合材料在航空航天產(chǎn)品中的應(yīng)用日益增多和對(duì)C/E復(fù)合材料構(gòu)件加工質(zhì)量與效率的要求不斷提高，現(xiàn)有的以手工作業(yè)為主的加工方式，嚴(yán)重制約了我國(guó)重點(diǎn)工程型號(hào)產(chǎn)品的研制進(jìn)度和量產(chǎn)能力，成為航空航天和國(guó)防等領(lǐng)域中亟待解決的技術(shù)瓶頸。本文以制孔加工為主要對(duì)象，系統(tǒng)研究C

3、/E復(fù)合材料損傷產(chǎn)生機(jī)理、加工工具及工藝等問題，以期推動(dòng)C/E復(fù)合材料的低損傷高效加工技術(shù)。
　　針對(duì)C/E復(fù)合材料切削過程中難以保證加工質(zhì)量的技術(shù)問題，以材料破壞的物理基礎(chǔ)為出發(fā)點(diǎn)，分別從材料各向異性、刀具切削角度及刀具與材料之間的摩擦作用三個(gè)方面對(duì)切削過程中材料在加工區(qū)域的力學(xué)行為開展了理論分析與試驗(yàn)研究。結(jié)果表明當(dāng)纖維方向角為45°及90°時(shí)，加工質(zhì)量較好;當(dāng)纖維方向角為135°及0°時(shí)，容易產(chǎn)生纖維未被完全去除而形成毛刺的

4、現(xiàn)象。當(dāng)?shù)毒咔邢鹘嵌葹樨?fù)前角或零度角時(shí)，有利于纖維被有效去除;當(dāng)?shù)毒咔邢鹘嵌葹檎敖菚r(shí)，容易產(chǎn)生較明顯的毛刺現(xiàn)象。碳纖維在刀具的作用下產(chǎn)生彎曲變形，進(jìn)而在拉應(yīng)力一側(cè)產(chǎn)生斷裂是導(dǎo)致材料破壞的主要原因。不同材料刀具與C/E復(fù)合材料之間的摩擦作用存在差異，且聚晶金剛石及單晶金剛石與C/E復(fù)合材料之間的摩擦系數(shù)小于硬質(zhì)合金與C/E復(fù)合材料之間的摩擦系數(shù)。
　　C/E復(fù)合材料加工損傷產(chǎn)生機(jī)理的研究是實(shí)現(xiàn)C/E復(fù)合材料構(gòu)件高質(zhì)量加工的理論基礎(chǔ)

5、及必要前提。通過對(duì)材料熱力學(xué)性能及制孔過程中軸向力變化趨勢(shì)的分析，提出切削力和切削熱均可顯著影響C/E復(fù)合材料的制孔質(zhì)量，其中切削熱對(duì)制孔損傷的影響存在兩個(gè)不同的階段。當(dāng)切削溫度低于材料樹脂基體的玻璃化溫度時(shí)，切削熱對(duì)材料加工損傷的影響不明顯;當(dāng)切削溫度高于材料樹脂基體的玻璃化溫度時(shí)，材料的力學(xué)性能急劇衰變，產(chǎn)生損傷的應(yīng)力閾值也急劇下降，因而較小的軸向力作用即可產(chǎn)生較嚴(yán)重的分層、撕裂等加工損傷。此外，單層C/E復(fù)合材料鉆削試驗(yàn)結(jié)果表明，

6、材料性能可顯著影響制孔質(zhì)量，當(dāng)材料的層間拉伸強(qiáng)度較大時(shí)，通常采用傳統(tǒng)的加工方法也可得到較理想的加工質(zhì)量。
　　針對(duì)傳統(tǒng)高速鋼或硬質(zhì)合金麻花鉆加工C/E復(fù)合材料時(shí)加工損傷難以避免的問題，試驗(yàn)研究了不同材料刀具及不同結(jié)構(gòu)刀具對(duì)C/E復(fù)合材料制孔過程中切削力及切削熱的影響。結(jié)果表明刀具材料可顯著影響制孔時(shí)的切削溫度，而刀具結(jié)構(gòu)對(duì)軸向力的影響較大。與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具相比，金剛石涂層刀具加工時(shí)的溫度降低了40.3％，PCD刀具加工時(shí)的溫度降

7、低了52.6％。與傳統(tǒng)麻花鉆相比，套料工具制孔時(shí)的軸向力降低了70％，這主要由于套料工具有效減少了制孔過程中刀具對(duì)材料的推擠作用。另外，以某航空C/E復(fù)合材料構(gòu)件為例，驗(yàn)證了金剛石類刀具的使用性能。
　　C/E復(fù)合材料的材料特性及干切削的特殊加工要求使得傳統(tǒng)的鉆削加工工藝難以滿足其構(gòu)件的高質(zhì)量加工要求，為此分別研究了螺旋銑削制孔及低溫氣體冷卻輔助制孔過程中的切削力、切削熱及加工質(zhì)量。螺旋銑削的試驗(yàn)結(jié)果表明，螺旋銑削制孔時(shí)的軸向力與