CFRP圆管钻削损伤分析及抑制方法研究

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碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)圆管型连接杆等构件在航空航天空间装备可展开结构中具有广泛的应用,为实现CFRP圆管构件的连接与装配,需在其圆弧曲面上钻削加工制孔。然而CFRP是典型的难加工材料,在钻削加工中易产生毛刺、撕裂等损伤。在钻削CFRP圆管时,被切削纤维在圆管曲面各位置处,受周围未切削材料的约束作用呈现显著变化,加工更易产生损伤。本文通过分析CFRP圆管钻削制孔中率及曲面特征约束条件下的纤维切削过程,探究CFRP圆管钻削损伤的影响规律,并通过刀具结构设计与工艺参数优选以抑制钻削制孔损伤,主要工作总结如下:(1)分析了钻削CFRP圆管时切削刃轨迹与相贯线形式的孔边缘轮廓相交情况,获得了主切削刃对工件表层材料的多次切入、切出过程规律。分析了切入、切出过程中纤维的切削行为,建立了其与加工损伤之间的关系。研究表明,钻削入口处的切入过程增大了指向垂直于纤维层平面内侧的分力;切出过程增大了垂直于纤维层平面外侧的分力。钻削出口处同样存在类似的切入、切出过程,但其对损伤的影响并不显著,钻削过程中轴向力仍是影响出口损伤的关键因素。上述分析为后续深入探究切入、切出过程与CFRP圆管钻削损伤间的关系提供了理论依据;(2)根据上述CFRP圆管钻削加工中的切削过程分析,通过实验验证了CFRP圆管钻削中切入、切出行为对损伤的影响规律。获得了每转进给量、管件直径、表层纤维铺层角度对CFRP圆管钻削损伤的影响规律。结果表明CFRP圆管钻削中切入、切出过程会导致相较平板工件更为严重的入口毛刺与撕裂损伤,多次切入过程中材料去除量快速增大,相较切出过程产生的损伤更为严重。钻削出口处的分层损伤主要受轴向力大小影响,随进给速度增大分层损伤逐渐增大;(3)为减小CFRP圆管钻削损伤以提高加工质量,分析了钻削CFRP圆管中关键刀具结构参数对切入、切出过程中切削行为的影响。开发左旋微齿结构,使入口处纤维受由体外向体内的剪切作用以去除,结合阶梯结构减小钻削出口分层损伤。使用左旋微齿阶梯钻在2300~3100r/min的转速,每转进给量为0.03mm左右的加工参数条件下,可实现CFRP圆管钻削制孔入口、出口损伤的同时抑制。本文通过对CFRP圆管钻削过程分析,得到了切入、切出过程中纤维受约束、受力状态与钻削损伤之间的关系,通过实验验证了分析的正确性,最终设计了左旋微齿阶梯刀具,为CFRP圆管钻削加工提供了具备工程应用价值的新工具。
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