碳纤维复合材料超声振动辅助制孔数值模拟及实验研究

摘要

近几十年来，碳纤维增强复合材料被广泛运用于航空航天、国防科技、汽车产业及健身医疗等领域，其中在航空航天领域所运用到的碳纤维复合材料对材料本身的质量有着极高的要求，在加工制造方面也有着极高的加工精度。传统的加工制造难以满足其要求。超声辅助加工是一种新型的特种加工方法，在加工过程中有着降低切削力、切削热，提高表面加工质量的诸多优势，适用于碳纤维复合材料的切削加工。本文评述了提高孔的加工质量的必要性，超声振动钻削技术的概念、基本原理及其特点，介绍了国内外的研究现状，指出该项技术存在的问题，并对其今后的研究方向作了展望。
　　本文以超声振动钻削工艺系统为研究对象，采用理论指导、有限元仿真模拟建模、可行性验证、实例应用与综合评估相结合的方法，分析超声振动辅助切削碳纤维复合材料过程中切削力的变化规律，分析碳纤维复合材料制孔过程中材料去除过程，建立超声振动辅助钻削碳纤维复合材料有限元仿真模型，基于碳纤维复合材料微观结构（纤维、基体）的演变，对切削过程中加工参数与加工孔质量之间的关系进行了研究；搭建碳纤维复合材料超声振动辅助钻削实验平台，分析碳纤维复合材料超声振动钻孔加工中各切削参数对孔出口质量的影响规律。通过有无超声辅助钻削对比实验及仿真得出的结论如下：
　　1)在相同切削参数下，超声振动辅助钻削比普通钻削产生的切削力普遍要小，其孔的加工质量普遍要好；
　　2)在相同的切削参数下，超声振动辅助钻削切削力随着超声振动幅值的增大先增大后减小，基体开裂损伤演化的区域范围先变大后减小，孔的出口表面质量先变差再变好，因此在超声振动辅助钻削碳纤维复合材料时为得到更高质量的孔应选用合适的振幅；
　　3)在相同的主轴转速下，随着进给速度的增加，切削力增大，基体损伤越严重，孔的出口表面质量出现的缺陷越严重；在相同的进给速度下，随着主轴转速的提高，切削力减小，基体损伤越小，孔的出口表面质量越好；
　　4)在碳纤维复合材料的钻削制孔过程当中，其轴向切削力的大小会影响加工孔的质量，切削力越小加工出来的孔出口表面质量越好，反之越差。

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第1章 绪论

1.1 选题目的及意义

1.2 复合材料简介

1.3 国内外研究现状

1.4 存在的主要问题

1.5 论文的主要研究内容

第2章 超声振动辅助钻削理论分析

2.1 引言

2.2 超声轴向振动钻削基本原理

2.3 超声轴向振动钻削运动学特征

2.4 本章小结

第3章 碳纤维增强复合材料钻削实验研究

3.1 引言

3.2实验条件

3.3实验方案

3.4碳纤维复合材料钻削实验过程中切削力研究

3.5碳纤维复合材料钻削过程加工质量研究

3.6本章小结

第4章 碳纤维复合材料普通钻削过程建模及仿真分析

4.1 引言

4.2 钻削过程中的有限元建模基本原理及方法

4.3 复合材料切削过程的断屑形式与刀-屑摩擦模型

4.4 碳纤维复合材料钻削过程的有限元建模

4.5 仿真结果及分析

4.6 本章小结

第5章 碳纤维复合材料超声轴向振动钻削有限元仿真

5.1 引言

5.2 碳纤维复合材料超声振动辅助钻削有限元仿真模型的建立

5.3 超声振动钻削参数的确定

5.4 超声轴向振动钻削与普通钻削仿真结果对比分析

5.5振幅对超声轴向振动钻削加工的影响

5.6本章小结

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位论文期间发表的学术论文

致谢

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