碳纤维复合材料小孔钻削力和工艺参数优化

摘要

碳纤维复合材料(英文名称是Carbon fiber reinforced plastics，简写为CFRP)以其质量轻、模量高、比强度大等诸多优点备受关注，其应用范围已从航空航天扩展到如今的汽车制造、体育用品、电子产品等领域。目前碳纤维复合材料的制孔研究主要集中在直径为5mm以上的常规孔方面，而对于3mm以及3mm以下的小孔和微小孔的加工研究很少，其中小孔加工的工艺参数和钻削机理研究的较少。因此，有必要展开碳纤维复合材料小孔钻削的切削力和工艺参数相关的理论和实验研究。本论文的主要内容分为以下几部分: (1)通过分析小孔钻削后孔壁的微观形貌以及表面粗糙度，对碳纤维复合材料孔壁的形成机理进行了研究。在此基础上，通过研究未变形切屑厚度和钻头刃口半径的比值与单位切削力之间的关系，探讨了复合材料小孔和微孔钻削过程中的尺寸效应。 (2)研究了工艺参数对碳纤维复合材料小孔钻削的影响。首先探讨了轴向力、扭矩和主轴转速、进给速度之间的关系，从定性和定量的角度，阐释它们之间的关联程度，得出轴向力和扭矩的经验公式。其次研究了工艺参数对制孔质量的影响，主要从出口毛刺和入口孔径两方面入手，分别进行分析研究，得出入口孔径、出口毛刺与工艺参数之间的关系。 (3)研究了碳纤维复合材料小孔钻削过程中刀具磨损对制孔质量的影响。通过测量钻头后刀面的磨损量VC值，绘制刀具磨损曲线，结果符合刀具理论磨损曲线。同时分析了刀具磨损对小孔入口孔径和出口毛刺的影响，随着刀具磨损的加剧，孔径误差增大，同时，随着制孔个数的增多，小孔出口毛刺增多，制孔质量变差。 (4)进行了碳纤维复合材料小孔钻削工艺参数优化，通过确定轴向力和扭矩经验公式为约束函数，以及得出毛刺面积和扭矩的关系式，以材料去除率最大化为优化目标，最终得出最优主轴转速为8000r/min，进给速度为82.99mm/min。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景

1．2碳纤维复合材料加工国内外研究现状

1．2．1碳纤维复合材料切削力与工艺参数的研究概况

1．2．2碳纤维复合材料制孔刀具与刀具磨损的研究概况

1．2．3碳纤维复合材料制孔质量的研究概况

1．2．4尺寸效应的研究概况

1．3论文研究的主要内容

1．4．1课题来源

1．4．2课题研究的目的和意义

1．4．3论文的整体框架

第2章CFRP小孔加工机理研究

2．1传统CFRP的二元切削机理

2．2 CFRP小孔钻削机理研究

2．2．1 CFRP常规孔的加工机理

2．2．2 CFRP小孔孔壁微观形貌的分析

2．2．3 CFRP小孔孔壁表面粗糙度的分析

2．3．1尺寸效应的理论分析

2．3．2单位切削力的理论模型

2．3．3 CFRP小孔钻削尺寸效应的实验研究

2．4本章小结

第3章CFRP小孔钻削力的实验研究

3．1．1 CFRP小孔加工试验系统的设计

3．1．2小孔加工实验用材料和刀具

3．1．3实验方案

3．2工艺参数对切削力的影响分析

3．2．1工艺参数对轴向力的影响

3．2．2工艺参数对扭矩的影响

3．3工艺参数对小孔加工质量的影响

3．4本章小结

第4章刀具磨损与加工质量的实验研究

4．1刀具磨损的形态和机理

4．2小孔钻削的刀具磨损实验方案

4．3．1钻头磨损曲线分析

4．3．2钻头磨损量与轴向力、扭矩的关系

4．3．3钻头磨损对小孔加工质量的影响分析

4．4本章小结

第5章CFRP钻削加工工艺优化

5．1．1钻削用量及选用原则

5．1．2扭矩与毛刺的关系

5．2小孔加工分层缺陷的分析

5．3 CFRP钻削加工的优化

5．3．1优化理论模型的建立

5．3．2 CFRP钻削参数优化模型

5．3．3钻削加工全局最优解

5．4本章小结

第6章结论与建议

6．1结论

6．2建议

参考文献

致谢

附录