CFRP/Al夹层板磁脉冲冲裁工艺与机理研究

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磁脉冲冲孔是一种基于电磁力加载的新型冲孔技术,其主要特点为冲孔速度高,适用于薄板加工,无污染,是一种绿色制造工艺。CFRP/Al复合板材结合了复合材料高强度、密度小以及金属的抗冲击的优点,是一种性能优异的轻量化材料,在汽车以及航空航天领域应用前景广阔。本文使用磁脉冲冲孔技术对于CFRP/Al夹层板进行制孔,从冲裁间隙、工艺参数、冲裁机理等方面对该制孔技术进行了研究。首先对磁脉冲冲孔的冲裁间隙进行了试验研究,对比了不同冲裁间隙下的冲孔质量。试验结果表明增大冲裁间隙使得冲裁力降低。在较小的冲裁间隙下,冲孔产生的碳纤维毛刺较少。铝合金光亮带长度增大,使得孔壁更加平整,粗糙度值降低。并且孔的尺寸精度也得到提升。但间隙值过小,使得碳纤维层之间产生分层损伤。通过分析得出在4%t的冲裁间隙下,冲孔质量较好。然后在4%t的冲裁间隙下,探究工艺参数(放电能量)对冲孔质量的影响,并与准静态冲孔进行对比。结果表明磁脉冲冲孔的冲孔效率远高于准静态冲孔,但冲裁力较高,增大放电能量可使冲裁力降低。在较高的放电能量下,冲孔质量得到提升。但当能量增加到7 k J时,由于速度过快使得断裂的纤维被挤压进入纤维层之间形成分层损伤。通过超声C扫描的结果对分层损伤分析得出,磁脉冲冲孔相比于准静态冲孔的分层损伤小得多,并且在6 k J放电能量下的分层损伤最小。最后通过ABAQUS/Explicit建立CFRP/Al夹层板磁脉冲冲孔有限元模型,利用该模型对磁脉冲冲孔的板料断裂过程、应力应变以及板料损伤进行分析。结果表明夹层板断裂顺序为上层碳纤维最先断裂,其次是下层碳纤维,最终是铝层发生断裂。分层损伤分析结果显示层间分层沿着厚度方向先增大后减小,影响分层的主要因素是纤维在断裂过程中发生弯曲变形的程度。基于仿真结果,在冲裁机制分析中,将冲孔过程划分为四个阶段,分别对应冲裁力位移曲线的四个波峰。
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