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(shù)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(shù)脂基體對(duì)切削熱的高敏感性，導(dǎo)致加工過(guò)程極易產(chǎn)生無(wú)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(lái)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(wèn)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(guò)程中難以保證加工質(zhì)量的技術(shù)問(wèn)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(guò)程中材料在加工區(qū)域的力學(xué)行為開(kāi)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(guò)對(duì)材料熱力學(xué)性能及制孔過(guò)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(shù)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(shù)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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