CFRP/钛叠层钻削温度场计算及切屑影响研究

摘要

碳纤维复合材料（简称CFRP）由于具有轻质高强等诸多优点常用作飞机中的大型结构件，其与钛合金等常规金属件的连接处通常在钻孔后采用铆接、螺接等连接方式，这样就形成了诸多CFRP/钛合金构成的叠层结构。为保证连接精度和加工效率，复材/钛叠层结构通常采用一体化制孔方式。由于连接部位要承受巨大且复杂多变的载荷，保证叠层制孔质量对提高叠层构件的可靠性十分重要。 目前CFRP/钛合金叠层钻孔中主要存在两类问题，一是钻削温度过高容易造成复合材料的损伤，需要对钻削温度进行合理预测；二是钻削过程中钛合金切屑流出过程中会对已钻削复材孔会造成刮擦损伤，需要对钛合金切屑造成的影响进行进一步分析和抑制。本文针对这两类问题分别进行分析讨论，得到了叠层钻削温度场模型，讨论了钛合金切屑对复合材料的影响及抑制方法，为实现叠层材料高质量钻削加工提供参考。 针对叠层钻削温度场问题，根据热力学基本原理建立了钻削过程的温度场模型。分析钻削过程，进行必要的条件假设，针对叠层钻削中材料去除的特点，采用数值计算方法进行求解。分类讨论了不同边界条件下的各类节点的迭代格式，编写程序对温度场问题进行求解，实现了对叠层钻削温度的预测。 进行叠层钻削实验进行温度场模型的验证，并测量界面处特定点的温度。实验前进行预埋热电偶处理，利用激光加工复合材料表面得到预埋热电偶浅槽，将极细热电偶置于浅槽中并固定，再用特定夹具确定钻削中心位置，最后与钛合金固定进行钻削。将实验中测量的切削力、扭矩等数据代入温度场模型中，对效率系数进行修正，通过实验温度与计算值对比，发现结果精确度较高，可用于其他加工参数下的叠层钻削温度场计算。 针对钛合金切屑影响问题，分析了切屑类型与工艺参数的关系，并通过实验获得了不同切屑类型对复材孔质量的具体影响。产生的切屑类型主要由每转进给决定，小进给时形成折叠带状切屑，大进给下形成挤压型切屑。钛合金切屑对复材孔壁刮擦造成孔径扩大及凹坑形损伤，在钻削底层钛合金时尽量选取小进给避免产生挤压型切屑以减小对复合材料孔的影响。 在选择了复材孔质量较好的加工参数和切屑类型的基础上，选用啄钻工艺和低频振动辅助钻削来进一步改善断屑。通过实验对比，发现啄钻和振动辅助钻削断屑效果良好，避免了因长屑缠刀造成复材孔入口处的环形划痕，复材孔壁凹坑损伤得到缓解，同时能较好地改善孔径情况和粗糙度情况。

目录

声明

1 绪论

1.1 问题背景

1.1.1 CFRP/钛合金叠层的应用

1.1.2 CFRP/钛合金叠层钻削及主要问题

1.2 研究现状

1.2.1 钻削温度研究情况

1.2.2 金属切屑研究情况

1.3 本文内容与研究意义

2 叠层钻削温度场模型建立

2.1 参数化及条件假设

2.2 导热微分方程和定解条件

2.2.1 导热微分方程建立

2.2.2 定解条件

2.3 导热微分方程求解

2.3.1 离散化处理

2.3.2 代数方程建立

2.4 稳定性条件及数据求解

2.5 本章总结

3 温度场处理结果及实验验证

3.1 包含界面温度测量的叠层钻削实验

3.1.1 热电偶测量方案

3.1.2 工件制备

3.1.3 实验材料与总体实验装置

3.2 温度测量结果及温度求解结果

3.2.1 温度测量结果

3.2.2 温度求解结果

3.3 计算值与实验值对比分析

3.4 本章总结

4 叠层钻削钛切屑影响问题

4.1 钛合金成屑分析

4.1.1 钛合金成屑过程

4.1.2 钛合金切屑类型与工艺参数的关系

4.1.3 不同切屑对复材孔的影响

4.2 叠层钻削实验

4.3 实验结果及分析

4.3.1 钛合金成屑情况

4.3.2 钛合金切屑对复合材料质量的影响

4.4 本章总结

5 断屑工艺方法

5.1 啄钻工艺用于叠层钻削

5.2 低频振动辅助钻削

5.3 效果验证

5.3.1 断屑效果

5.3.2 对复材孔的影响

5.4 本章总结

结论

参考文献

附录A 温度场求解部分代码（主函数）

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

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