C-E復(fù)合材料制孔損傷形成機(jī)理與評(píng)價(jià)方法研究.pdf

1、碳纖維/環(huán)氧樹脂（Carbon/epoxy，C/E）復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、國(guó)防軍工、能源、交通等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料在飛行器上的用量已經(jīng)成為衡量飛行器先進(jìn)性和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志，其使用范圍也將由蒙皮和次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展。航空航天大型C/E復(fù)合材料構(gòu)件的裝配過程中需要通過大量的鉚接或螺接孔進(jìn)行連接，制孔質(zhì)量成為影響此類構(gòu)件強(qiáng)度和疲勞壽命的關(guān)鍵因素。然而，C/E復(fù)合材料因特有的各

2、向異性、非均勻性、層間結(jié)合強(qiáng)度低、受溫度影響大等特點(diǎn)，在制孔過程中極易產(chǎn)生分層、毛刺、撕裂等多種形式與尺度的損傷，屬于典型的難加工材料。國(guó)內(nèi)外工程界和學(xué)術(shù)界在復(fù)合材料制孔刀具和工藝技術(shù)等方面都開展了大量的研究，但大多為試驗(yàn)研究且對(duì)于試驗(yàn)現(xiàn)象的解釋還有待進(jìn)一步深入。由于C/E復(fù)合材料中纖維、樹脂及界面力學(xué)性質(zhì)的顯著差異，導(dǎo)致加工中刀具與材料之間的作用機(jī)理極其復(fù)雜，對(duì)其加工損傷產(chǎn)生機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)，是實(shí)現(xiàn)C/E復(fù)合材料的高質(zhì)、高可靠性加工的重

3、要技術(shù)基礎(chǔ)。
　　針對(duì)以上問題，本文采用理論解析、有限元模擬及模擬試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)C/E復(fù)合材料制孔過程的力學(xué)行為開展了較為系統(tǒng)深入的研究，分析了加工中刀具（麻花鉆、電鍍金剛石磨料套料制孔工具）與C/E復(fù)合材料的作用關(guān)系，研究了切削力對(duì)損傷產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)作用，揭示了制孔過程中材料的去除機(jī)理以及毛刺、撅裂、分層損傷的產(chǎn)生機(jī)理，建立了制孔損傷綜合評(píng)價(jià)方法，為C/E復(fù)合材料制孔刀具設(shè)計(jì)和加工參數(shù)的合理選擇提供了理論指導(dǎo)。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)

4、論如下:
　　(1)通過建立切削力解析模型，在橫刃作用區(qū)域采用接觸理論分析橫刃的頂壓作用，主切削刃作用區(qū)域按斜角切削過程并分三個(gè)作用區(qū)分別考慮，闡述了C/E復(fù)合材料麻花鉆制孔時(shí)的力學(xué)行為，分析了加工工藝參數(shù)、刀具幾何參數(shù)以及纖維方向?qū)η邢髁Φ挠绊懸?guī)律。研究結(jié)果表明:在文中所研究的加工參數(shù)條件下，橫刃產(chǎn)生的軸向力比例占50-80％，橫刃產(chǎn)生的扭矩比例一般不超過5％;選擇主軸轉(zhuǎn)速較高、進(jìn)給速度較低的工藝參數(shù)組合時(shí)切削力較小;當(dāng)?shù)毒咧睆?/p>

5、一定時(shí)，軸向力隨主切削刃圓角半徑、刀具頂角、橫刃厚度的增大而增大;此外，C/E復(fù)合材料的各向異性對(duì)切削力有重要影響，在一個(gè)鉆削周期中，軸向力和扭矩曲線隨著纖維方向的變化而呈現(xiàn)出劇烈的周期性波動(dòng)。
　　(2)采用有限元模擬研究了C/E復(fù)合材料磨削制孔時(shí)單顆磨粒切削的細(xì)觀過程，闡明了單顆磨粒切削時(shí)纖維斷裂和切屑形成機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，基于梁的變形理論、斷裂力學(xué)以及能量守恒理論，建立了單顆磨粒切削復(fù)合材料的切削力模型和電鍍金剛石磨料套料制

6、孔的切削力模型，研究了切削力隨制孔工具參數(shù)和工藝參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明:碳纖維在磨粒的劃切作用下彎曲變形導(dǎo)致拉伸斷裂是其主要失效形式。切削力隨著切削深度、磨粒粒徑以及復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的增大而顯著增大，軸向力和扭矩隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨進(jìn)給速度的增大而增大。
　　(3)通過在材料層間界面處引入內(nèi)聚力模型，在宏觀尺度上分別建立了麻花鉆刀具和金剛石磨料套料制孔工具制孔過程分層損傷的三維有限元模型，模擬了制孔分層損傷的形成和擴(kuò)展

7、過程，研究了纖維方向、未加工材料厚度以及不同刀具形式對(duì)分層損傷的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:單向C/E復(fù)合材料制孔出口處的分層形貌為橢圓形，電鍍金剛石磨料套料制孔工具和麻花鉆制孔分層橢圓長(zhǎng)軸與短軸的比值分別為1.68和1.85。麻花鉆的制孔分層損傷面積大且狹長(zhǎng)，即在刀具結(jié)構(gòu)形式上更容易引起分層損傷;C/E復(fù)合材料層板內(nèi)材料的主要失效模式為樹脂拉伸失效;出口分層損傷程度隨著未加工層材料厚度的減少而增強(qiáng)，多向C/E復(fù)合材料的分層損傷程度輕于單向

8、C/E復(fù)合材料。
　　(4)為揭示材料的各向異性對(duì)C/E復(fù)合材料制孔毛刺和撕裂損傷產(chǎn)生的影響機(jī)制，采用劃痕試驗(yàn)方法，在細(xì)觀尺度上分析劃切過程中刀刃與纖維束間的作用關(guān)系，研究沿不同纖維方向劃切時(shí)材料的變形、斷裂和去除過程。結(jié)果表明:當(dāng)劃切方向與纖維方向垂直時(shí)，劃切力最大，較易產(chǎn)生撕裂損傷;當(dāng)劃切方向與纖維方向呈30°、45°、60°時(shí)，劃痕左側(cè)纖維與劃切方向呈鈍角，纖維束受到拉伸和彎曲作用產(chǎn)生鋸齒形斷裂，表面的纖維束容易向左退讓形成

9、毛刺;劃痕右側(cè)纖維為避讓壓頭發(fā)生較大的彎曲變形，纖維斷裂均勻，不容易形成毛刺。
　　(5)針對(duì)現(xiàn)有復(fù)合材料加工損傷評(píng)價(jià)方法的單一性和局限性，基于統(tǒng)計(jì)方法的相對(duì)指標(biāo)法提出了考慮毛刺、撕裂及分層損傷的綜合評(píng)價(jià)方法。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，采用刀具磨損試驗(yàn)確定了評(píng)價(jià)方法中的系數(shù)，并通過超聲波探傷對(duì)該方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。在本文試驗(yàn)條件下得到，α、b、c、α、β分別為1、1.5、4、0.2、0.8時(shí)，損傷因子的變化規(guī)律與后刀面磨損量的變化