雙頂角鉆尖幾何參數(shù)對碳纖維復(fù)合材料鉆削軸向力和制孔分層的影響.pdf

1、碳纖維復(fù)合材料（CFRP）零件的鉆孔加工是實(shí)現(xiàn)此類零件裝配連接必不可少的環(huán)節(jié)，然而由于CFRP材料是由軟粘性的樹脂基體和高強(qiáng)高硬的纖維增強(qiáng)相組成，具有獨(dú)特的各向異性和層合特性，使得鉆孔過程中極易產(chǎn)生分層、撕裂、毛刺等損傷。
　　鉆尖部分是鉆頭參與切削的主要區(qū)域，鉆尖的幾何特征直接決定鉆頭和工件的接觸狀態(tài)及切削過程，是影響制孔損傷的重要因素。本文以T800級CFRP層合板為研究對象，為探索適合于CFRP層合板鉆削的鉆尖幾何，首先采用

2、多種不同鉆尖幾何的鉆頭進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，確定了雙頂角形狀的鉆尖較適合于鉆削CFRP層合板;然后通過理論解析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究雙頂角鉆尖幾何參數(shù)對鉆削軸向力和出口分層的影響，為指導(dǎo)高質(zhì)量制孔刀具的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)采用麻花鉆、階梯鉆、雙頂角鉆和圓弧鉆對CFRP層合板進(jìn)行制孔試驗(yàn)，基于鉆削過程中測量的切削力和切削溫度，分析出口分層損傷產(chǎn)生的原因。研究可知雙頂角鉆頭在鉆出工件底部時(shí)分階段鉆出

3、，鉆削軸向力多階段緩慢歸零，且鉆削溫度相對較低，導(dǎo)致最終的出口分層小，制孔質(zhì)量好。
　　(2)基于雙頂角形狀的鉆尖特征對其幾何尺寸進(jìn)行參數(shù)化，分別建立了基于Hertz接觸理論的橫刃軸向力模型和基于二維直角切削的主切削刃軸向力模型，采用13種不同幾何參數(shù)的雙頂角鉆頭對模型中的待定系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并通過兩種雙頂角鉆頭的軸向力預(yù)測對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。橫刃軸向力預(yù)測的平均誤差約為11％，主切削刃軸向力的預(yù)測平均誤差約為2％。最后通過分析雙頂角

4、鉆削軸向力模型，獲得鉆削軸向力隨鉆頭幾何參數(shù)變化的規(guī)律。
　　(3)按頂角分配類型將雙頂角鉆頭分為凸雙頂角和凹雙頂角，通過分析軸向力的時(shí)變曲線得到了軸向力沿切削刃的分布情況，討論了最后一層纖維所受的軸向力的變化及不同類型雙頂角鉆頭的制孔出口分層的產(chǎn)生過程。結(jié)果表明，凸雙頂角鉆的刀具外圍軸向力較小，可以縮短裂紋長度，產(chǎn)生較小的出口分層。鉆頭的總軸向力與出口分層因子并非正比關(guān)系，而軸向力沿切削刃的變化對于出口分層因子有著更直接的影響。