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碳纤维复合材料孔加工研究现状

2017年12月04日15:08
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       根据碳纤维复合材料的特性和制造加工中存在的问题,综述了碳纤维复合材料孔加工时加工工艺、钻头几何参数及其材料、机床振动、材料制备缺陷等因素对钻削加工损伤(尤其是分层损伤)的影响和抑制方法、钻削建模与仿真以及叠层孔加工等方面的研究最新进展,重点关注了钻削诱导的分层损伤形成机理以及一些特殊工艺,如振动辅助钻削、螺旋铣削孔加工、磁性胶体垫板孔加工技术和高速钻削技术等对碳纤维复合材料孔加工质量改善效果。


      据报道,约70%以上的航天飞行器疲劳失效事故源自装配连接部分,其中80%以上的疲劳裂纹产生于连接孔处。复合材料结构件间的装配需大量孔加工,出、入口和孔内壁的加工损伤会严重削弱结构的抗破坏性,孔加工质量影响结构件的承载能力和服役时间,甚至导致严重的安全问题。切削参数选择不适当,加工时易产生各种损伤,如分层、纤维拔出和基体热降解等,因此,碳纤维复合材料孔加工过程的材料去除机理与损伤形成机理是碳纤维复合材料孔加工的主要研究方向。


      碳纤维复合材料孔加工研究现状


      (1)轴向力


      分层损伤常形成于孔出口处,碳纤维复合材料孔加工出口处的分层损伤与钻孔轴向力密切相关,通过控制轴向力可有效减小孔出口处的缺陷。对于碳纤维复合材料,为减小孔加工出口处的分层损伤,钻削轴向力一定不能超过临界轴向力。为降低钻削轴向力,研究者提出了与切削条件相关的钻削轴向力经验模型,并进一步研究了孔加工出口处与钻头下方未钻削层厚度相关的临界轴向力模型。其中,Hocheng H.等通过线弹性断裂力学方法来求解临界轴向力,将碳纤维复合材料视作各向同性材料处理,采用解析方法确定分层时临界轴向力。在此基础上,Rahme P.等针对厚碳纤维树脂复合材料大直径孔加工时的分层缺陷进行研究,将参与加工的麻花钻刀具几何分解为横刃挤压区和主切削刃两个区域,并分别确定分层时的临界钻削轴向力,提出了与每齿进给率相关的钻削轴向力解析模型,以获得分层时的临界进给率。这一速率小于碳纤维复合材料最小切屑厚度所对应的进给率,实验发现:采用临界进给率加工会导致出口处层合板树脂基体材料的退化(见图1a),而采用最小切屑厚度对应的进给率加工将减小出口处的分层缺陷,但不会完全消除(见图1b)。

 

 

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