碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)因優(yōu)良的力學(xué)性能、耐高溫、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小等特點,在應(yīng)用時既能作為結(jié)構(gòu)件材料承擔(dān)載荷,又能作為功能材料發(fā)揮作用,因而被廣泛應(yīng)用在諸如導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、軍艦、雷達(dá)、油氣田鉆井平臺等國家戰(zhàn)略性科技產(chǎn)業(yè)和體育設(shè)備、軌道交通、建筑建材等日常生活設(shè)施中。但是碳纖維復(fù)合材料是典型的難加工材料之一,其制件在加工過程中容易出現(xiàn)分層和毛刺等加工缺陷,且刀具磨損嚴(yán)重。本文圍繞CFRP材料孔加工中存在的問題開展了旋轉(zhuǎn)超聲加工(Rotary Ultrasonic Machining,RUM)制孔工藝研究,開展的主要工作如下:首先,研究旋轉(zhuǎn)超聲加工的材料去除機理與優(yōu)勢。通過加工過程對比分析研究了旋轉(zhuǎn)超聲加工和傳統(tǒng)磨削加工(Conventional Grinding,CG)的材料去除過程,探明了超聲頻振動在加工過程中的作用機制,并根據(jù)實驗結(jié)果和文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)了加工中出現(xiàn)的幾種典型缺陷;搭建了旋轉(zhuǎn)超聲加工實驗平臺并進(jìn)行了兩種加工方式的磨削制孔對比實驗,提出了測量缺陷角度的表層分層缺陷評價方法;將兩種加工方式下得到的實驗結(jié)果從表層分層缺陷、加工表面質(zhì)量、切屑形態(tài)以及刀具壽命幾個方面進(jìn)行對比。結(jié)果表明相比傳統(tǒng)磨削加工,旋轉(zhuǎn)超聲加工改變了材料的去除方式和破壞形式,增加了刀具上磨粒與材料的接觸次數(shù),更有利于纖維的剪斷而能得到更優(yōu)孔加工質(zhì)量,同時還具有更長的刀具壽命。其次,進(jìn)行CFRP的旋轉(zhuǎn)超聲制孔工藝研究。介紹了正交實驗法,選取了工藝參數(shù)(超聲振幅、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速)設(shè)計并開展了正交實驗,分析了各工藝參數(shù)對加工表面質(zhì)量影響規(guī)律,優(yōu)化加工參數(shù)得到了表面粗糙度值Ra為1.187μm和1.171μm的加工表面。最后,探究層間分層缺陷控制策略。闡述了層間分層缺陷產(chǎn)生的機理,建立了臨界軸向力模型和旋轉(zhuǎn)超聲加工過程中的磨削力模型;分析了誘導(dǎo)層間分層缺陷產(chǎn)生的因素并設(shè)計了層間分層控制策略實驗,探討了不同加工參數(shù)對層間分層缺陷的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明相比傳統(tǒng)磨削加工,旋轉(zhuǎn)超聲加工產(chǎn)生的層間分層厚度較薄,且增加主軸轉(zhuǎn)速、降低主軸進(jìn)給速度,增加支撐和變進(jìn)給速度加工都能緩解分層現(xiàn)象的發(fā)生,其中增加剛性支撐和變進(jìn)給速度加工的方式完全消除了分層缺陷。本文通過理論分析和實驗研究,獲知了超聲在加工中的作用機制以及CFRP在孔加工過程中的缺陷形成機理,得到了一組最優(yōu)表面質(zhì)量的加工參數(shù),針對加工中的分層缺陷問題給出了控制策略,為CFRP的制孔工藝提供了指導(dǎo)與參考。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB33;TB559
【部分圖文】：

④ 類型Ⅲ：部分未切斷的松散纖維附著在切削邊界上，一般發(fā)生在纖維鋪層方向與切削方向角度為 0°的位置。圖 2 - 2 表層分層缺陷表現(xiàn)形式(2) 孔壁纖維拔出和裂紋若加工過程中材料受到引起纖維和基體產(chǎn)生撕裂趨勢的力，纖維會相對基體發(fā)生移動，從而形成基體脫粘，出現(xiàn)纖維拔出現(xiàn)象，使得加工表面形成凹坑。加工形成的纖維拔出現(xiàn)象如圖 2 - 3（a）所示。同時，由于纖維和基體樹脂的膨脹系數(shù)相差較大，當(dāng)加工過程中參數(shù)選擇不當(dāng)，加工區(qū)域會形成局部高溫，導(dǎo)致加工表面形成微裂紋，如圖 2 - 3（b）所示。類型Ⅰ 類型Ⅱ 類型Ⅰ/Ⅱ 類型Ⅲ(b) (b)

刀具末端振幅測試

圖 2 - 6 實驗采用刀具振幅測試激光多普勒測振儀對安裝在變幅桿上的刀具進(jìn)行振幅測量， 所示。振幅測試采用的激光多普勒測振儀型號為新加坡舜宇圖 2 - 7 刀具末端振幅測試
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本文編號：2894673