碳纤维复合材料钻孔缺陷研究与刀具优化设计

摘要

碳纤维复合材料（简称 CFRP）是如今被广泛应用于军事和民用各个领域的一种先进的复合材料，其具有优异的力学性能。然而，由于碳纤维复合材料是由纤维束与树脂基层铺而成，致使其具有各向异性的特点，导致针对它的二次加工遇到了很多新的问题，尤其是制孔加工，会出现一种特有的加工缺陷（分层缺陷）；除此之外，还存在毛刺、撕裂等缺陷。而且由于材料导热性能差和硬度高的特性，也出现了刀具寿命低的现象。这些问题已经成为了制约CFRP高效率、高质量加工的重要因素。
　　针对上述问题，本文在深入研究CFRP切削机理的基础上，将对不同刀具钻削过程力的变化规律进行分析，借助试验分析的方法研究切削力在不同切削参数下的变化规律。并进行不同刀具参数与不同切削参数对分层缺陷影响进行试验研究，对比分析分层检测结果，优化刀具切削参数。本文将主要进行以下几个方面的研究：
　　首先，针对CFRP的二元直角自由切削模型进行深入研究，分析切削过程中，纤维方向与切削方向所成夹角，对切削形变和切屑形成产生的影响，从理论上对其切削机理进行研究。分析不同钻头在钻削加工碳纤维复合材料过程中切削力的分布及变化情况，确定制孔缺陷的主要类型。
　　然后，采用试验分析方法建立轴向力的回归模型，推导轴向力的二元经验公式。针对分层缺陷设计广义双顶角钻头，并与某知名刀具公司合作进行试制，生产出满足使用要求的钻头。开展碳纤维复合材料的钻削试验研究，分析刀具几何参数和切削参数对分层缺陷的影响。
　　其次，利用 C扫描显微镜检测方法进行碳纤维复合材料板材的检测试验研究，对钻削CFRP孔出入口表面层间分层的形貌进行分析，进而建立钻孔分层缺陷的立体分层模型。基于CFRP的层铺方式研究，分析叠合层的主刚度方向对孔出入口处分层形貌的影响。
　　最后，对分层检测的结果进行分析研究，采用极差分析的方法，寻找刀具几何参数对分层缺陷的影响，进而优化刀具几何参数，并采用 Origin研究刀具几何参数对分层缺陷尺寸的影响规律；运用 MATLAB分析切削参数对分层缺陷的影响变化规律，并采用多元非线性回归分析法推导主轴转速、进给速度对CFPR钻孔出入口处各层间分寸尺寸的影响关系公式。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1课题背景

1.2国内外的发展与研究现状

1.3论文研究的主要内容

第2章 CFRP切削机理与加工缺陷研究

2.1单向碳纤维复合材料的二元切削机理

2.2不同钻头钻削加工过程分析

2.3钻削加工缺陷的分析

2.4分层产生机理分析

2.5本章小结

第3章 CFRP钻削试验设计与钻削力分析

3.1 CFRP钻削试验方案设计

3.2钻削力采集试验设计

3.3工艺参数对分层缺陷影响的试验设计

3.4本章小结

第4章 CFRP分层缺陷的检测与形貌研究

4.1分层检测方法的对比分析

4.2超声C扫描显微镜原理

4.3立体分层模型

4.4孔出口椭圆形分层缺陷研究

4.5椭圆分层长轴角的确定

4.6本章小结

第5章 CFRP钻削工艺参数对分层缺陷影响的研究

5.1检测结果

5.2孔出口分层

5.3孔入口分层

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢