复杂螺旋面钻尖钻削CFRP的钻削力与钻孔质量研究

摘要

碳纤维复合材料(CFRP)由于具有重量轻、比模量高、抗疲劳和耐热性好等一系列优点，在航空航天、交通运输、体育器械和纺织等领域被广泛应用。由于CFRP主要采用螺栓连接和铆接进行结构之间的连接，这就需要大量的连接孔，而孔的形成最主要的加工方式就是钻削。在CFRP的钻削过程中会出现一系列的钻孔缺陷，钻孔的质量较差，严重影响了CFRP的使用性能和寿命，而钻削力是影响钻孔质量的一个重要因素，所以钻削力和钻孔质量的研究对实际生产具有重要的价值和意义。
　　本文通过针对复杂螺旋面钻尖钻削CFRP的具体情况建立了钻削力的数学模型，对复杂螺旋面钻尖进行了钻削实验，最后对碳纤维复合材料的钻削参数进行了优化，主要的工作包括如下:
　　(1)介绍了CFRP的定义、命名、分类及在各领域的应用情况，总结了国内外CFRP的钻削加工情况，并分析了复杂螺旋面钻尖的特点及刃磨原理。
　　(2)根据复杂螺旋面S型钻尖的特性和CFRP的材料特性和脆性断裂形式，建立了复杂螺旋面钻尖的钻削力数学模型。
　　(3)用刃磨出的各种不同的几何形状的复杂螺旋面钻尖进行CFRP的钻削实验，分析了不同的刀具的几何参数和工艺参数对轴向力和扭矩的变化规律，并通过实验验证了钻削力数学模型的正确性。
　　(4)对CFRP钻削过程中产生的毛刺、撕裂、分层缺陷的形成机理进行了详细的分析，建立了毛刺长度与轴向力的关系式、撕裂长度与轴向力的关系式，建立了分层的临界轴向力的数学模型。
　　(5)以材料的最大去除率为优化目标，对CFRP的工艺参数和刀具几何参数进行了参数优化，其中建立了轴向力、毛刺、撕裂与工艺参数和刀具的几何参数的经验公式，通过MATLAB进行优化，得出了在本文实验条件下最优的刀具几何参数和工艺参数。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 碳纤维复合材料概述

1．2．1 碳纤维复合材料的定义和性能

1．2．2 碳纤维复合材料的主要应用

1．3 国内外CFRP加工的研究现状

1．4 复杂螺旋面钻尖和刃磨机床发展介绍

1．4．1 复杂螺旋面钻尖介绍

1．4．2 螺旋面钻尖刃磨原理

1．4．3 螺旋面钻尖刃磨机床发展介绍

1．5 本课题研究的目的、内容和意义

第2章 碳纤维复合材料的钻削力模型

2．1 直角切削和斜角切削介绍

2．2 麻花钻钻削力模型的建立

2．2．1 横刃的钻削力数学模型

2．2．2 主切削刃的直角切削力模型

2．2．3 主切削刃的斜角切削力模型

2．2．4 总的轴向力和扭矩

2．3 本章小结

第3章 碳纤维复合材料的钻削实验

3．1 实验材料及设备

3．2 钻削力测定系统

3．2．1 三向测力仪

3．2．2 三向测力仪的工作原理

3．3 CFRP的钻削实验研究

3．3．1 复杂螺旋面钻尖与普通钻尖对轴向力和扭矩的影响

3．3．2 钻尖几何参数对轴向力和扭矩的影响

3．3．3 工艺参数对轴向力和扭矩的影响

3．3．4 钻削力数学模型的实验验证

3．4 本章小结

第4章 碳纤维复合材料的钻孔质量研究

4．1．1 毛刺缺陷分析

4．1．2 撕裂缺陷分析

4．1．3 分层缺陷分析

4．2 钻孔质量与轴向力的关系

4．2．1 毛刺长度与轴向力的关系

4．2．2 撕裂长度与轴向力的关系

4．3 分层的临界轴向力数学模型

4．4 本章小结

第5章 碳纤维复合材料的钻削参数优化

5．1 切削用量的优化方法

5．2 最优化理论

5．3 复合材料钻削参数优化的数学模型

5．3．1 选取决策变量

5．3．2 确定约束条件

5．3．3 建立目标函数

5．4 钻削参数的全局最优解

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢