聚合物基复合材料磨料水射流加工缺陷成因及消减策略

摘要

聚合物基复合材料以其高比强度、高比模量等优势已愈发广泛地被应用到以航空航天、军事国防为代表的诸多尖端工业领域，但显著的各向异性及非均质性导致其在传统加工过程中常遇到毛刺、撕裂、分层等不良现象，此外传统加工过程中高昂的刀具成本亦成为其大规模应用的阻碍。作为一种新兴的非传统冷态加工技术，磨料水射流加工以其无热损伤、切削力小、加工灵活、可加工材料广泛，绿色环保及加工成本低廉等诸多优点正愈发受到国内外重视，其与传统加工截然不同的材料去除机理使之成为在面向复合材料加工时一种更为创新的技术手段。 但对于以大厚度聚合物基复合材料为代表的难加工材料，受制于磨料水射流独特的材料去除机制，工件在加工过程中仍会形成诸多不同形式的加工缺陷，具体体现为切口锥度、切口底部变形、切口侧壁条纹区、切口侧壁底部较高的表面粗糙度及分层缺陷等。如何减少以大厚度聚合物基复合材料为代表的难加工材料在磨料水射流加工过程中出现的加工缺陷，提高其加工精度和表面质量，是磨料水射流加工亟待解决的难题之一。 本文结合国家自然科学基金-辽宁联合基金资助项目（项目编号：U1708256）：“航空发动机复杂曲面零件磨料水射流加工技术研究”，针对以聚合物基复合材料为代表的难加工材料在磨料水射流加工过程中产生的“欠加工”及“过加工”缺陷，以大厚度芳纶纤维复合材料和碳纤维复合材料为例，通过试验研究表征了切口的常见缺陷，分析了缺陷成因，针对性地进行了工艺优化，并进一步提出了相应的缺陷消减方法。明确了磨料水射流加工正向、侧向进给方向，定义了磨料水射流各加工区域，提出了磨料水射流单（多）次切断加工（粗切加工）、磨料水射流精切加工、磨料水射流光切加工。显微观测及方差分析表明，上述方法可有效消减聚合物基复合材料磨料水射流加工过程中的“欠加工”及“过加工”缺陷，有效控制加工形位精度，并实现表面粗糙度自上而下的一致性。对等效率条件下不同方法的加工质量进行对比分析，结果表明聚合物基复合材料磨料水射流“粗切-精切-光切”工艺策略可以成为工程实际中用于实现更高质量切口的有效方法。基于该策略提出了相应的尺寸精度控制原理，从而在整体上形成了一套较为完善的聚合物基复合材料磨料水射流精加工方法。 初步试验验证表明，该方法也可以有效应用于对以球端圆柱为代表的聚合物基复合材料凸曲面的成型加工，并能获得较好的加工精度及表面质量。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 磨料水射流加工技术发展概况

1.2.1 磨料水射流加工机理概述

1.2.2 磨料水射流加工技术及应用发展概况

1.3 聚合物基复合材料磨料水射流加工技术研究进展

1.3.1 聚合物基复合材料磨料水射流加工理论模型概述

1.3.2 聚合物基复合材料磨料水射流加工工艺优化研究概述

1.4 本文主要研究内容

2 聚合物基复合材料磨料水射流切断加工缺陷及其成因

2.1 引言

2.2 聚合物基复合材料磨料水射流加工试验建立

2.3 聚合物基复合材料磨料水射流切断加工缺陷及其成因

2.3.1 切口侧面轮廓误差及其成因

2.3.2 切口侧壁表面缺陷及其成因

2.3.3 分层缺陷及其成因

2.4 本章小结

3 工艺条件对切口缺陷影响的试验研究

3.1 引言

3.2 工艺条件对切口侧面轮廓误差的影响

3.2.1 工艺条件对切口锥度的影响

3.2.2 工艺条件对切口底部袋状缺陷的影响

3.3 工艺条件对切口侧壁表面质量的影响

3.3.1 厚度36mm的芳纶纤维复合材料切口侧壁质量

3.3.2 厚度48mm的芳纶纤维复合材料切口侧壁质量

3.3.3 厚度12mm的碳纤维复合材料切口侧壁质量

3.4 工艺条件对分层缺陷的影响

3.5 本章小结

4 聚合物基复合材料磨料水射流加工缺陷消减方法的试验研究

4.1 引言

4.2 大厚度芳纶纤维复合材料磨料水射流加工缺陷消减方法

4.2.1 48mm厚芳纶纤维复合材料磨料水射流光切加工试验

4.2.2 磨料水射流光切加工机理分析

4.2.3 48mm厚芳纶纤维复合材料磨料水射流精切加工试验

4.2.4 磨料水射流精切加工机理分析

4.3 大厚度碳纤维复合材料磨料水射流加工缺陷消减方法

4.3.1 12mm厚碳纤维复合材料光切加工试验

4.3.2 12mm厚碳纤维复合材料精切加工试验

4.3.3 等效率条件下不同加工方法对切口侧壁表面质量影响的分析

4.4 磨料水射流加工缺陷消减方法对工件尺寸精度的影响

4.4.1 磨料水射流双边光切加工试验

4.4.2 等效率条件下不同加工方法对尺寸精度影响的分析

4.5 本章小结

5 聚合物基复合材料磨料水射流精加工工艺策略

5.1 引言

5.2 磨料水射流加工“粗切-精切-光切”工艺策略

5.3 “粗切-精切-光切”工艺策略的切割试验验证

5.4 “粗切-精切-光切”工艺策略的尺寸精度控制原理

5.5 磨料水射流精加工工艺策略

5.6 磨料水射流精加工工艺策略的车削试验验证

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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