CFRP铣削表层损伤形成与抑制研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:wang605631496
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碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)具有高比强度、高比刚度、性能可设计性、材料与结构同步制造等突出优点,已成为航空航天高端装备减重增效的优选材料。为了保证构件外形尺寸的精度以及满足构件间的连接装配需求,CFRP在固化成型之后仍需要进行大量的传统铣削加工,如边缘、盲窗口、异形轮廓等。但CFRP宏观呈各向异性和层叠特征,材料去除形式受方向影响显著,且表层材料处于严重的弱约束状态。这导致CFRP铣削时极易在表层形成毛刺、撕裂等损伤,严重影响构件的承载性能。针对这一问题,本文从水平方向内纤维切削角以及竖直方向内表层材料的约束状态两方面着手,开展了CFRP表层损伤形成于抑制的相关研究。  首先,针对水平方向内纤维切削角这一损伤影响因素,通过铣槽实验获取表层损伤关于纤维切削角以及刀刃钝圆半径的全局分布规律,并分别从瞬态切削和动态切削两方面阐明了纤维切削角、刀刃钝圆半径及铣刀运动特点对CFRP铣削表层损伤的综合影响机理。发现纤维切削角及刀刃钝圆半径是影响表层损伤分布范围与存在形式的关键因素。而铣削运动引发了纤维切削角的连续动态变化,在易形成损伤的区间内损伤动态累积,最终决定损伤程度。合理选择铣削方式是有效抑制CFRP侧铣加工表层损伤的方法。  其次,针对竖直方向内表层材料约束状态这一损伤影响因素,建立单侧约束的单纤维切削模型并着重分析模型中集中力方向带来的影响。利用轴向力近似替代集中力,分析铣削时表层材料在不同轴向力方向下的约束状态及损伤差异。研究表明,单侧弱约束状态是表层材料易发损伤的根本原因。集中力的作用方向对于损伤的程度影响显著,通过改变刀具结构在表层材料处施加轴向约束以强化约束状态,可有效抑制表层损伤。  最后,针对纤维切削角与表层约束状态的交互影响,基于最小曲率半径下的纤维/树脂界面开裂长度分析得到不同纤维切削角区间形成毛此时的纤维弯曲方向,对轴向约束在不同纤维切削角区间损伤抑制程度的强弱差异进行讨论,并实验分析了每齿进给量的作用。研究表明,锐角区纤维弯曲方向以层内弯曲为主,在钝角区纤维弯曲方向以层外弯曲为主,轴向约束对于钝角区的损伤抑制程度要优于锐角区。而每齿进给量增大会衰减约束对于损伤的抑制作用,实际加工中,可以通过减小每齿进给量提高铣削质量。  研究成果揭示了CFRP铣削中表层损伤的形成原因与形成过程,对于后续更深入的研究CFRP损伤形成机制具有一定的参考价值,同时,在CFRP低损伤加工中刀具结构及参数、铣削方式与切削用量的相互选择方面也具有一定的指导意义。
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