碳纖維復合材料切屑形成機理與加工缺陷抑制

來源: www.0887184.live 發布時間:2017-07-02 論文字數:38596字
論文編號: sb2017070119240816688 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是機械論文,本文利用金剛石涂層鉆頭和 PCD 直槽鉆頭對碳纖維增強復合材料進行鉆削對比試驗,對兩種鉆頭在鉆削過程中產生的鉆削力和制孔質量進行對比.
第 1 章 緒論
 
1.1 課題研究背景及目的意義
隨著科學技術地不斷發展及工作條件逐步苛刻,傳統單一組織結構的金屬與非金屬材料已經無法滿足實際的工程需求,因此復合材料應運而生[1]。復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料,通過物理或化學的方法,在宏觀(微觀)上組成具有新特性的材料。它不僅具有兩種材料自身擁有的特殊性能,而且能夠產生兩種材料結合后之前兩種材料所不具備的綜合性能。在其眾多的復合型材料中,由碳纖維和環氧樹脂相互作用形成的碳纖維復合材料(以下簡稱 CFRP)具有非常明顯且優異的力學性能,同其他性質相似的高性能纖維復合材料比較擁有最高的比強度與模量,還具有優良的化學穩定性、低密度、耐磨、低熱膨脹系數、耐熱、耐疲勞、電絕緣、材料性能的可剪裁性、成型工藝的多選擇性等諸多優點[2,3]。隨著航空、航天及軍事裝備技術等高科技領域對材料性能及工藝水平的要求不斷提高,CFRP制造的構件已逐步由次承力結構件成為主承力結構件,因此 CFRP 的二次機械加工問題急需解決[4]。在 CFRP 構件的連接中,利用緊固件進行機械連接是其最主要的連接形式,因此對 CFRP 鉆削制孔加工成為 CFRP 二次加工過程中極為重要的工序。由于 CFRP 的特點是擁有較低層間強度、質地堅硬、具有脆硬性,在鉆孔過程中很可能導致分層、纖維撕裂和出口毛刺等制孔加工缺陷,導致加工質量不符合要求等問題,最終可能會使零部件徹底報廢[5]。本課題主要針對 CFRP 切屑形成機理、刀體設計、刀具幾何參數、切削參數和 CFRP 鉆削缺陷等方面進行深入的研究,在現有條件下設計大量高速鉆削 CFRP 試驗,通過對試驗數據進行合理正確的總結歸納,分析出缺陷產生原因,優化刀具幾何參數和切削參數,進而減少甚至避免缺陷的產生。對于提高我國航天飛行器的性能、提高我國先進材料構件的制造水平、加強國防實力和促進國民經濟發展都具有重要的理論和實際意義。
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1.2 CFRP 發展與應用
復合型材料由兩個或兩個之上根本不同性質的增強層與基體層之間相互作用而成[6]?;木哂袕姸群艿?、模量很低、柔韌性好、量輕等特性,且與某些增強型材料性能恰恰相反。纖維增強的復合材料中,復合材料的力學特性相比于單一的基體材料其強度和剛度因為有增強纖維加入獲得顯著提升。作用于復合材料的外界載荷通過基體材料傳遞到纖維增強材料,不僅可以使復合材料整體受力均勻還可以防止纖維材料受到損傷,充分發揮纖維優異的力學性能。復合材料的優異性還體現在可以通過設計纖維的鋪層方式來滿足不同的使用環境或特殊的結構要求,其熱膨脹系數和導熱系數可以通過纖維方向和含量進行調整,從而獲得符合工程實際要求的新型材料。以 CFRP 為例,為使其自身具有優異的承載能力,需要將纖維按照某種比例在基體內均勻排布,此時基體的主要作用是將材料受到的載荷均勻的傳導至纖維材料,避免纖維增強材料受到來自外界的損傷而使復合材料的力學性能下降。復合材料中的纖維增強材料的含量所占比例并非越多越好,根據實際生產過程中總結的經驗,纖維增強材料體積含量所占比重要低于 65% 。當纖維含量小于65% 時,CFRP 的力學特性會隨著纖維比重的提升而提升;若纖維體積含量比例超過 65% ,此時復合材料的基體材料過少,纖維材料缺乏有效的保護在成型的過程中易形成缺陷,導致材料力學性能下降,因此 CFRP 中纖維增強材料的體積含量比例范圍一般為 60%~65% [7,8]。在實際應用過程中,CFRP 通常用作層壓板,依據其不同的纖維層的方向,CFRP 可分為兩種復合形態,一種為所有纖維方向完全相同,被稱為單向復合材料;另一種為不同層間的纖維鋪層方向不同,被稱為多向復合材料。對于多向復合材料層壓板而言,典型的鋪層角度為 0 、 45 、 90 、135 ,其中鋪層角度為 0的纖維主要承擔正載荷,鋪層角度為 45、135的纖維主要承擔扭矩作用,鋪層角度為 90 的纖維主要承擔橫向載荷,而且每層的鋪層角度與實際用途密切相關。為防止翹曲現象的發生,通常在鋪設編織纖維時要以復合材料的中間截面為對稱面,以保證兩側受力均勻。在多向復合材料中,因為增強材料和基體的熱膨脹系數不同,將產生耦合效應[9],且影響材料的力學特性,這種現象可以通過纖維的對稱鋪設得到有效改善。
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第 2 章 CFRP 鉆削機理研究
 
目前大部分企業對于 CFRP 的制孔刀具大多采用硬質合金麻花鉆,因此本章通過結合 CFRP 力學性質進行分析,對硬質合金麻花鉆鉆削 CFRP 的過程進行深入分析并構建力學模型,以此來說明切屑形成的機理。由于 CFRP的加工質量以及裝配質量受鉆削力的直接影響,因此,通過深入分析硬質合金麻花鉆鉆削 CFRP 時主切削刃以及橫刃作用原理的基礎上,通過將 Hertz接觸理論引入橫刃作用區域,并將主切削刃作用區域劃分成三個作用區域綜合考慮。本文中構建的力學模型對于刀具幾何參數優化設計以及 CFRP 加工工藝參數優化設計提供了理論參考。
 
2.1 CFRP 力學性質分析
CFRP 基體為環氧聚合物樹脂,在眾多的研究過程中,為了分析方便,可以看作將環氧聚合物樹脂各個方向上性能一致的材料[60-63],圖 2-1 為環氧聚合物樹脂的力學性能模型。在室溫環境下環氧樹脂力學性能參數[64]如表 2-2 所示。在鉆孔加工的過程中由刀具和 CFRP 摩擦產生大量的切削力和切削熱,鉆削加工過程中鉆頭與刀具之間處于相對密閉的環境,切削熱很難從鉆削區域迅速排出,而且復合材料具有親水性,在加工的過程中只能采取干式加工不能使用冷卻液,因此環氧樹脂處于高溫和高應變率的加工環境,產生熱軟化效應和應變率硬化雙重作用。CFRP 在雙重作用的影響下,很難構建準確的動態本構模型,這對于研究 CFRP 切屑形成機理以及 CFRP 損傷的成因產生巨大阻礙。
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2.2 CFRP 制孔過程分析
硬質合金麻花鉆頭鉆削 CFRP 示意圖如如圖 2-2 所示,當鉆頭直徑為 6、主軸轉速為 4000 r/ min 、刀具進給速度為 50 mm/ min 時,可以得出如圖 2-3 所示的典型的鉆削軸向力曲線圖。階段 1:鉆頭橫刃和主切削刃鉆削進入 CFRP 的過程,該過程中鉆削軸向力從零在短時間內迅速上升至鉆削力峰值。階段 2:隨著鉆削深度不斷加深,由于此時鉆削深度不斷加深,鉆削剩余量不斷減少,復合材料力學性能逐漸降低,橫刃作用的材料產生分層損傷,使得鉆削軸向力曲線出現波動。階段 3:隨著機床帶動主軸時刻向下不停運動,鉆頭跟隨主軸從位置 c處離開復合材料,鉆頭的主要作用是對復合材料的頂壓,出現鉆削軸向力回升現象。階段 4:當鉆頭橫刃部分到達,此時鉆削軸向力幾乎為零。通過以上的分析在不考慮螺旋槽對加工過程的影響時,可以將階段 2 內臨近 b 點位置的鉆削軸向力峰值作為鉆頭直徑為6、主軸轉速為 4000 r/ min 、刀具進給速度為 50 mm/ min 。由于 CFRP 的力學性能呈現層合結構和各向異性的特點,不同方向的彈性模量和抗拉強度存在很大差異,在水平方向即沿纖維絲編織方向兩力學參數數值最大,沿著復合材料的羅列方向上兩個參數理論上是最小的,因為橫刃的橫向邊緣對復合材料施加頂部壓力產生塑性變形,所以復合材料發生彎曲產生變形。鉆頭的橫刃部分沒有起到切削作用,起到的僅僅是對底部碳纖維絲的頂壓作用。
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第 3 章 CFRP 鉆削試驗平臺建立.......... 22
3.1 試驗材料..... 22
3.2 試驗刀具..... 22
3.3 鉆削加工試驗平臺.......23
3.4 孔質量檢測裝置...........24
3.5 加工參數及實驗方案........... 25
3.6 本章小結..... 25
第 4 章 CFRP 鉆削軸向力研究......27
4.1 兩種鉆頭鉆削過程分析....... 27
4.2 兩種鉆頭鉆削力結果分析............30
4.3 本章小結..... 33
第 5 章 CFRP 孔加工質量及缺陷抑制...........34
5.1 CFRP 孔加工缺陷........34
5.2 孔壁表面質量研究.......42
5.3 本章小結..... 48
 
第 5 章 CFRP 孔加工質量及缺陷抑制
 
5.1 CFRP 孔加工缺陷
CFRP 從宏觀角度具有脆硬性材料的力學性能,在鉆頭鉆出與鉆入的過程中,CFRP 容易發生細微崩裂產生啃邊現象,并且啃邊現象是由 CFRP 自身力學性能引起,因此啃邊現象很難在加工過程中得到有效抑制??羞叕F象是由材料自身的細微崩裂所引起,其崩裂程度微乎其微對已加工孔的性能影響可忽略不計。對于制孔出口側而言易產生毛刺缺陷,主要有兩個原因:一是當鉆頭鉆出復合材料的過程中,最底層復合材料上部受到橫刃的頂壓作用而底部又缺乏有效支撐,因而產生毛刺缺陷;二是由于鉆頭在加工的過程中不斷磨損,刀具圓角不斷增大導致鉆頭鋒利程度降低,碳纖維絲不能被完全切斷。由于產生毛刺缺陷產生的主要原因僅僅是最底層復合材料未被完全切斷,對孔的形狀不產生影響,因此對孔的力學性能也可忽略不計。在復合材料鉆削加工過程中,最為常見也是對孔性能影響最大的缺陷是在孔的出入口處產生的撕裂缺陷。在 CFRP 鉆削制孔加工的過程期間,運用日本的基恩士型號為 KEYENCE VHX-1000 的超景深顯微鏡對 CFRP 的撕裂缺陷進行拍照、觀察和測量。
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結 論
 
本文研究的主要內容是國家自然科學基金項目“碳纖維復合材料吸氣式自排屑鉆削方法工作原理及基礎研究”(課題編號:51475127)和黑龍江省自然科學基金項目“碳纖維復合材料高品質孔加工機理及其吸氣式 PCD 刀具設計”(項目批準號:E201304)的重要組成部分。本文在研究過程中,選取金剛石涂層鉆與 PCD 直槽鉆作為試驗刀具鉆削 CFRP,根據不同的切削加工參數利用正交實驗法設計鉆削試驗,并利用超景深顯微系統分別對已加工孔的入出口形貌、孔壁表面粗糙度以及孔的圓度進行對比觀察和測量。通過對實驗數據與觀察結果的深入分析與研究,構建了 CFRP 鉆削軸向力力學預測模型,揭示了 CFRP 切屑的形成機理,分析了 CFRP 在鉆削過程中常見的缺陷形式并提出相關的抑制措施。主要研究結論如下:
1.將鉆削過程中 CFRP 與切削刀具之間的相互作用區域分成三個部分,利用微積分中的微元解析法,根據每部分作用區域材料與刀具之間獨特的力學特征,分別對不同區域構建刀具主切削刃與橫刃的力學微元,通過微積分的方法構建鉆削軸向力的預測模型。當鉆削軸向力在 CFRP 與切削刀具之間的分力超過碳纖維的拉伸應力和樹脂材料的剪切應力時,CFRP 發生斷裂進而形成切屑。
2.根據不同的切削加工參數利用正交實驗法設計鉆削試驗,對采用金剛石涂層鉆與 PCD 直槽鉆兩種鉆頭鉆削時產生的試驗數據進行對比分析研究,可以得出:PCD 直槽鉆鉆削產生制孔缺陷的概率要遠低于金剛石涂層鉆。
3.采用兩種鉆頭鉆削的過程中均表現孔的入口質量要明顯好于出口質量;PCD 直槽鉆鉆削的孔相比于金剛石涂層鉆頭要更規整均勻,而且 PCD直槽鉆加工出的的孔壁的表面粗糙度和加工精度也要明顯高于金剛石涂層鉆。
4.鉆削過程中為了獲得好的制孔質量,應該選擇合理的加工工具、較高的主軸轉速、較小的主軸進給,或者在加工過程中在 CFRP 下面加墊底部支撐材料也可以有效的提高孔的加工質量。
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參考文獻(略)
 

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