雙頂角鉆尖幾何參數(shù)對碳纖維復合材料鉆削軸向力和制孔分層的影響.pdf

1、碳纖維復合材料（CFRP）零件的鉆孔加工是實現(xiàn)此類零件裝配連接必不可少的環(huán)節(jié)，然而由于CFRP材料是由軟粘性的樹脂基體和高強高硬的纖維增強相組成，具有獨特的各向異性和層合特性，使得鉆孔過程中極易產(chǎn)生分層、撕裂、毛刺等損傷。
　　鉆尖部分是鉆頭參與切削的主要區(qū)域，鉆尖的幾何特征直接決定鉆頭和工件的接觸狀態(tài)及切削過程，是影響制孔損傷的重要因素。本文以T800級CFRP層合板為研究對象，為探索適合于CFRP層合板鉆削的鉆尖幾何，首先采用

2、多種不同鉆尖幾何的鉆頭進行對比實驗，確定了雙頂角形狀的鉆尖較適合于鉆削CFRP層合板;然后通過理論解析和實驗研究相結合的方法，研究雙頂角鉆尖幾何參數(shù)對鉆削軸向力和出口分層的影響，為指導高質量制孔刀具的設計提供了依據(jù)。論文的主要研究內(nèi)容和結論如下:
　　(1)采用麻花鉆、階梯鉆、雙頂角鉆和圓弧鉆對CFRP層合板進行制孔試驗，基于鉆削過程中測量的切削力和切削溫度，分析出口分層損傷產(chǎn)生的原因。研究可知雙頂角鉆頭在鉆出工件底部時分階段鉆出

3、，鉆削軸向力多階段緩慢歸零，且鉆削溫度相對較低，導致最終的出口分層小，制孔質量好。
　　(2)基于雙頂角形狀的鉆尖特征對其幾何尺寸進行參數(shù)化，分別建立了基于Hertz接觸理論的橫刃軸向力模型和基于二維直角切削的主切削刃軸向力模型，采用13種不同幾何參數(shù)的雙頂角鉆頭對模型中的待定系數(shù)進行標定，并通過兩種雙頂角鉆頭的軸向力預測對模型進行了驗證。橫刃軸向力預測的平均誤差約為11％，主切削刃軸向力的預測平均誤差約為2％。最后通過分析雙頂角

4、鉆削軸向力模型，獲得鉆削軸向力隨鉆頭幾何參數(shù)變化的規(guī)律。
　　(3)按頂角分配類型將雙頂角鉆頭分為凸雙頂角和凹雙頂角，通過分析軸向力的時變曲線得到了軸向力沿切削刃的分布情況，討論了最后一層纖維所受的軸向力的變化及不同類型雙頂角鉆頭的制孔出口分層的產(chǎn)生過程。結果表明，凸雙頂角鉆的刀具外圍軸向力較小，可以縮短裂紋長度，產(chǎn)生較小的出口分層。鉆頭的總軸向力與出口分層因子并非正比關系，而軸向力沿切削刃的變化對于出口分層因子有著更直接的影響。