CFRP切削加工损伤成因及其评价方法

摘要

碳纤维增强环氧树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）具有质量轻、强度高、性能可设计等突出优点，易实现结构件整体制造，是航空航天高端装备关键构件减重增效的优选材料，其用量已成为衡量装备先进性和国际竞争力的重要标志。然而，对于大型CFRP结构件，其具有尺寸大、结构复杂等特点，仍需大量加工以满足连接装配的要求。一旦产生不可控的加工损伤，将严重影响构件的服役性能和可靠性，甚至造成整个结构件直接报废，损失巨大。与金属等均质材料相比，CFRP的加工过程中包含纤维断裂和纤维/树脂界面开裂，力热作用下的损伤形成机制比传统金属切削更为复杂。而且，加工过程中还易因温升过大导致树脂软化，造成纤维/树脂界面的结合强度降低，从而加剧损伤产生。此外，在采用传统切削工艺加工过程中，极易产生多形态、跨尺度、随机分布的加工损伤，而对此类加工损伤的准确评价是保证加工质量的重要环节。因此，需要探索细观尺度下纤维破坏行为、宏观面下损伤形成过程、切削区热量分配机制等基础研究以及加工损伤区域表征方法，以摸清加工损伤形成机制，对加工损伤程度进行准确评价，助推CFRP大面积应用。因此，本文针对上述问题，开展了加工损伤形成原因、散热量确定方法以及加工损伤多维评价方法研究。
　　首先，以刀具和工件之间作用形式相对简单的直角切削为研究对象，建立了虑及切削刃钝圆对纤维切削作用的细观尺度力学模型，研究了不同钝圆半径对切削区纤维变形的影响规律，阐明了纤维方向、钝圆半径对纤维弯曲变形及失效破坏机理的影响。同时，为研究已加工表面下方的损伤产生过程，基于宏观各向异性等效均质的假设，建立了二维宏观切削仿真分析模型，通过引入材料的最大刚度退化系数和材料失效演化准则，实现了CFRP切削加工过程的连续动态仿真模拟，研究了不同纤维方向、刀具几何参数和切削参数对面下损伤深度的影响规律，获得了面下损伤从起始产生到扩展演化的完整过程。研究结果为揭示毛刺和撕裂加工损伤的形成原因奠定基础。
　　针对钻铣削加工CFRP过程中，在刀具加工过的边缘会产生大量毛刺和撕裂等加工损伤的问题，以边缘铣削CFRP单向板为例，通过引入纤维切削角的概念，将铣削刀具旋转过程简化为若干直角切削，研究了纤维方向、径向切深和顺逆铣方式对刀具旋转过程中纤维切削角变化范围的影响。同时，采用双刃直槽铣刀开展了边缘铣削试验，研究了纤维切削角范围和切削刃钝圆半径对加工损伤的影响规律，获得了毛刺和撕裂加工损伤产生时各自对应的纤维切削角范围。进一步，基于本文第2章的研究结论，揭示出铣削加工过程中毛刺和撕裂加工损伤的形成原因。此外，通过将钻削刀具旋转过程分为4个独立的边缘铣削过程，揭示出钻削出口毛刺和撕裂加工损伤的形成原因。研究结果为钻铣削加工CFRP引起的毛刺和撕裂加工损伤抑制方法的建立提供了依据。
　　由于CFRP的树脂基体性能对温度敏感，具有导热性差、高温软化、低温脆化等特点，而加工过程中不允许使用切削液，极易因切削热积聚、温升过大导致损伤加剧、换刀频繁等问题。为解决上述问题，实现切削热的合理控制，建立了CFRP切削区热量分配比例计算方法，阐明了纤维方向、刀具参数和切削参数对切削区热量分配的影响，获得了传统切削加工过程中传入CFRP工件的热量及其对加工损伤程度的影响规律。在此基础上，提出在切削区喷射空气增加对流的方式带走多余的热量，使其温度处于合适范围内的加工损伤抑制方法。通过建立虑及后刀面摩擦热源的CFRP切削过程温度场分布方程，获得了不同温度下切削时传入CFRP工件的热量，进而确定出适温切削散热量。基于Dittus-Boelter方程，研究了不同空气初始温度对带走相同热量所需的空气对流换热系数和空气流量的影响规律，并对计算结果进行了试验验证。研究结果为加工损伤抑制工艺研发提供了依据。
　　针对CFRP铣削加工损伤的多形态和随机分布使得加工损伤的多维准确表征极其困难，而传统一维最大损伤长度法经常出现误判的问题，提出了基于损伤区域面积的加工损伤评价方法，建立了“视觉检测成像+图像预处理+区域分割与提取”的损伤区域图像自动化表征方法，弥补了人眼测量判断的不足。以边缘铣削CFRP为例，通过以加工损伤区域面积与工件材料被去除区域面积的比值来量化铣削加工损伤程度，研究了不同铣削参数对面积损伤因子的影响规律。此外，针对CFRP钻削过程中各层材料在轴向力作用下都有可能产生损伤，而基于钻削出口损伤程度进行评价势必会造成损伤信息不全面的问题，提出了基于空间各层损伤体积累加的评价方法，建立了三维体积损伤因子计算模型，通过引入纳米CT断层扫描成像技术，实现了加工损伤的多维表征。最后，基于本文提出的损伤面积评价方法，对典型CFRP试验件进行了边缘加工试验和损伤面积评价方法验证。研究成果为CFRP构件的制造提供技术支持。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外CFRP加工损伤相关工作研究进展

1．2．1 直角切削加工引起的面下损伤研究现状

1．2．2钻铣削加工损伤及其评价方法研究现状

1．3本文主要研究内容

2 CFRP切削加工面下损伤形成过程

2．1 引言

2．2基于单纤维代表性单元的细观破坏行为研究

2．2．1纤维方向的定义

2．2．2虑及钝圆切削的细观力学模型建立

2．2．3钝圆半径对切削区纤维变形的影响规律

2．3基于连续切削过程宏观仿真的面下损伤研究

2．3．1连续切削过程仿真模型建立

2．3．2面下损伤的影响因素分析

2．4本章小结

3 切削加工CFRP引起的毛刺和撕裂损伤成因

3．1 引言

3．2 CFRP切削加工中的纤维切削角及其变化规律

3．2．1纤维切削角的定义

3．2．2纤维切削角变化范围的影响因素

3．3纤维切削角和钝圆半径对加工损伤的影响研究

3．3．1试验材料和刀具

3．3．2纤维切削角对加工损伤的影响规律

3．3．3 切削刃钝圆对加工损伤的影响规律

3．4本章小结

4切削区热量分配对CFRP加工损伤的影响

4．1 引言

4．2．1加工过程中总产热量确定

4．2．2切削区热量分配比例确定

4．2．3切削区热量分配的影响因素

4．3适温切削散热量确定方法

4．3．1切削温度场分布模型建立

4．3．2空气对流换热系数确定

4．4本章小结

5基于损伤面积的CFRP切削加工损伤评价方法

5．1 引言

5．2铣削加工损伤程度评价方法研究

5．2．1损伤区域图像获取

5．2．2损伤区域面积计算

5．2．3损伤程度量化模型建立

5．2．4损伤程度的影响因素

5．3钻削加工损伤程度评价方法研究

5．3．1 空间各层加工损伤图像获取

5．3．2损伤程度量化模型建立

5．3．3损伤程度的影响因素

5．4损伤面积评价方法试验验证

5．5本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2创新点

6．3展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介