碳纤维材料钻削轴向力与刀具磨损试验研究

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1、碳纤维材料钻削轴向力与刀具磨损试验研究1绪论1.1课题背景及研究意义随着装甲和反装甲技术的发展，穿甲弹的威力也在不断提高，世界各发达国家都在致力于提髙大口径穿甲弹的威力。减轻穿甲弹的消极质量可以在满足发射强度的前提下提升穿甲弹的威力。弹托是穿甲弹的一个重要部件，但属于非战斗部件，其质量属于消极质量，其材料的选择应以轻质为重点，尽量选用密度小、强度高的材料。弹托材料必须具有足够的机械强度使之能适应各种恶劣的气候环境，满足枪弹的各种性能试验：具有较低的磨阻磨耗性，具有良好的相容性和化学稳定性，不腐烛炮管，长期储

2、存不老化，具有一定的高低温性能[5]。目前，国内外都在寻找密度更低，强度更高的材料来减少弹托的消极质量，提高穿甲的威力。受非金属复合材料的启迪，国内外已开始研制非金属弹托[6]。碳纤维复合材料(CFRP)作为先进的复合材料之一，以其独特的力学、热学和抗腐烛等性能广泛应用于结构材料和功能材料中。所以CFRP在弹托中的应用可减轻其重量，提高性能，降低成本等，对战术灵活性的提高，武器威力的加强具有重要意义，因此CFRP是弹托的理想材料之一。弹托复杂的结构使其成型后，必须进行特定的机械加工以满足装配、连接等要求。C

3、FRP属于典型的难加工材料，其层合结构、各向异性和脆性大等特性在加工过程中易产生分层、撕裂、表面精度难以保证等问题，CFRP的高硬度、高强度和导热性差等特性易导致刀具的磨损严重，加工质量差和加工效率低，加工成本较高。本文着力研究CFRP的加工机理，以保证加工质量、加工效率为目标，分析刀具材料和工艺参数等对钻削CFRP质量的影响，研究CFRP钻削加工中刀具的磨损状况和影响因素，为优化CFRP的加工工艺提供技术参考。1.2碳纤维增强复合材料的简介及应用发展1.2.1碳纤维的特性及分类碳纤维增强复合材料（CFRP

4、)是由增强相、基体相和界面相组成。碳纤维起增强作用，而树脂基体起到均勾分布载荷，并通过界面把载荷传递到碳纤维上，同时基体材料也可保护增强纤维避免其受环境的侵烛。CFRP以轻质、高强、抗腐烛、吸振性好、耐高温等特点，被广泛应用于结构材料和功能材料中，是目前最先进的复合材料之一。CFRP所用的基体树脂主要有两类：热固性树脂和热塑性树脂。热困性树脂一般为分子量不高的固体或粘稠液体在加热加压或固化剂、紫外光作用下，经化学反应，交联固化成型的不溶不溶物质。由线型或短支链型高分子量聚合物组成的热塑性树脂的主要特点是受热

5、可软化和馆化，受冷后硬化并恢复原来的状态。碳纤维的问世始于20世纪60年代，初始是被应用于结构材料中，后来在功能型材料中也有大量的应用。自80年代以來，碳纤维的品种不断增多，性能逐渐提高，可满足不同场合的需求。CFRP以其独特优异的性能在众多领域已有广泛的应用，图1.1所示为SANDVIK公司调研的CFRP在各个领域所占的比例。起初，CFRP主要应用于军事工业，后来随着科技的发展，碳纤维生产规模的扩大及成本的降低，先进的低成本制造技术的突破，CFRP在民用航空、风力发电、体育用品、建筑工程、交通运输及电子材

6、料等其它领域也成为研究开发的热点，并取得了一定的进展。图1.2为CFRP的应用实例。2CFRP切削加工的理论分析2.1单向CFRP的二元切削机理金属的切削过程大致可分为挤压、滑移、挤裂和切断四个阶段，但是CFRP属于脆性材料，其切削过程中的各种现象都与金属加工有很大差别。一般情况下，CFRP在应力的作用下没有明显的塑形变形阶段，只有挤压和切离两个阶段，因而在加工CFRP时不能死搬硬套金属的加工过程和物理条件去分析和认识CFRP的加工过程和规律。变形、摩擦、切削力、切削热和刀具磨损等都会在加工过程中出现，并发

7、生变化。因此研究和掌握切削时各种现象的变化规律是进一步研究CFRP加工工艺方法，寻找合适刀具，确保加工质量，提高生产效率和降低生产成本的有效途径。CFRP是由朝性的树脂基体和脆性的碳纤维组成，两者的极限强度相差很大，碳纤维的强度是树脂基体的若干倍，因此在切削CFRP时，可以忽略对树脂基体的切削，简化成只针对碳纤维的切削。考虑碳纤维的脆性特征的同时还需考虑它的各向异性。随着刀具的切入，基体材料首先受到切削力的作用而破裂，当刀刃接触到碳纤维时，在纤维内部产生与其自身轴线垂直的剪切应力，当其超过碳纤维的抗剪强度极

8、限时，碳纤维被切断，刀具前刀面将切断的材料沿着纤维方向不断压缩，与基体产生滑移，掉落，最终形成切屑。通常将这种切削变形称为纤维切断型。由于切削表面深度较浅，所以这种切削表面质量也较好。2.2切削力与切削热刀具在切削过程中，刀刃作用在CFRP切削层上，使得一部分的CFRP变为切屑而与工件分离，得到所需要的加工表面，在这一过程中会出现变形、切削力、切削热、工件老化或者软化和刀具磨损等一系列的物理现象。刀具和工件之间的