基于有限元螺旋铣孔CFRP切削机理分析及制孔工艺优化

摘要

碳纤维复合材料(CFRP)作为航空航天制造业中一种新型的材料,虽然具备优良使用性能,但同时它也是一种典型的难加工材料。对于CFRP制孔,传统钻孔难以满足其应用领域高精度、高可靠性的要求。而螺旋铣制孔过程作为一种新的制孔加工工艺,能有效提高CFRP制孔质量及加工效率,降低加工成本。因此,对于螺旋铣制孔而言,从CFRP切削加工机理、螺旋铣制孔运动学原理以及工艺参数等方面展开研究,对提高CFRP的制孔质量显得尤为重要。
　　本文主要研究内容如下:
　　首先,本文介绍了Abaqus建立复合材料有限元切削模型的相关理论,并建立单向复合材料二维正交切削宏观模型。其中,材料定义为各向异性材料,破坏模型采用Hashin损伤模型,采用Abaqus/Explicit进行有限元仿真分析,从而得出CFRP的切削加工机理。通过以上宏观模型,对螺旋铣孔过程中孔壁的损伤做了深入分析,据此探讨了螺旋铣孔缺陷形成原因。
　　其次,文章分析螺旋铣制孔运动学原理,将三维空间的加工过程展开成二维平面进行分析,从侧刃和底刃材料去除的角度对螺旋铣孔加工过程做了详细的数学描述,最终得出钻铣比表达式只与刀具直径和孔径相关。据此,展开螺旋铣孔切削实验,深入探讨了钻铣比对孔径误差以及出口分层等方面的影响。
　　最后,文章针对CFRP螺旋铣制孔中工艺参数对出口分层的影响,选取螺旋铣制孔中主轴转速、螺距以及切向每齿进给为三个主要的工艺参数展开研究。切削实验采用全因素实验设计。基于实验数据,建立分层缺陷和螺旋铣孔工艺参数之间的人工神经网络模型,并利用建立的数学模型用Matlab分别得到单一参数和两个参数同时作用时的分层因子趋势,通过曲面图直观地分析了螺旋铣孔工艺参数对分层的影响,指出两个导致分层的主要因素为主轴转速和螺距。
　　本文从CFRP切削机理到加工方式运动学原理分析,进而完成对螺旋铣孔工艺参数的优化,上述研究对CFRP螺旋铣孔切削机理的进一步研究以及对螺旋铣孔工艺在实际应用中的推广有重要参考价值。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2国内外的研究现状

1.3论文的主要内容及及结构：

第二章 基于Abaqus的复合材料正交切削模型及切削机理研究

2.1复合材料建模过程

2.2复合材料的建模理论

2.3仿真结果及讨论

2.4本章小结

第三章 螺旋铣CFRP制孔钻铣比对孔质量的影响

3.1螺旋铣孔运动学分析原理

3.2实验准备

3.3偏心量对CFRP螺旋铣孔工艺孔质量的影响研究

3.4本章小结

第四章 螺旋铣制孔工艺参数对CFRP出口分层的影响

4.1人工神经网络建模

4.2结果与分析

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢