复合材料叠层结构制孔技术

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1、２０１７年第５１卷Ｎｏ．４８３复合材料叠层结构制孔技术１２唐臣升，王巍１２沈阳飞机工业（集团）有限公司；空军驻沈阳地区军事代表局摘要：针对碳纤维复合材料与钛合金叠层制孔质量差、效率低的问题，通过有限元仿真计算和切削试验相结合的方法，研究了碳纤维复合材料与钛合金叠层制孔切削机理，分析了面向刀具结构、几何参数和制孔工艺参数等因素，建立刀具结构、切削力、刀具磨损等数学模型，实现了碳纤维复合材料叠层制孔的刀具设计技术。关键词：碳纤维复合材料；叠层结构；制孔刀具；切削力；有限元仿真中图分类号：ＴＧ９３７；ＴＨ１６４文献标志码：

2、Ａ由于碳纤维复合材料的导热性差，导致了刀具!引言磨损加剧，碳纤维复合材料制孔时需要较高的转速复合材料具有高比强、高比模、耐疲劳等优点，和较低的进给速度。［１］已越来越广泛地被应用在航空航天制造业中。（２）钛合金制孔的切削性能但是，复合材料是一种难加工材料，尤其是用于飞机钛合金导热系数小，制孔时切削温度高，而且制机翼和尾舵中碳纤维复合材料与金属材料构成的叠孔刀具切削刃与切屑的接触长度短，使切削热堆积在层构件，这部分在装配过程中需要加工大量的铆接切削刃附件的小面积内而不易散发，加快刀具磨损。或螺接孔。由于碳纤维复合材料层

3、间结构特点和两钛合金弹性模量小，屈强比大，切削时产生的变形大，种材料性能的巨大差异，制孔质量难以保证且刀具同时已加工表面回弹大，一方面容易引起加工零件尺磨损剧烈。因此，研究复合材料叠层结构高效、高质寸的超差，表面粗糙度增高；另一方面加剧刀具磨损。量的制孔技术对叠层材料构件产品连接强度、刚度、钛合金钻削时，切屑薄，呈卷状，不易排除，切屑易于安全性以及提高飞机的机械性能都具有非常重要的刀具粘结，经常出现钻头被咬死、扭断等现象［３］。意义。（３）叠层结构制孔的切削性能２碳纤维复合材料叠层结构制孔加工碳纤维复合材料与钛合金叠

4、层结构制孔时，因机理为在碳纤维复合材料出口处有钛合金材料的辅助支撑作用，所以其出口加工质量明显好于单独加工碳２１碳纤维复合材料叠层结构的切削性能纤维复合材料的情况。分析碳纤维复合材料制孔时对制孔刀具和工艺的要（１）碳纤维复合材料制孔的切削性能求与对钛合金的要求相比差别较大。综合碳纤维复碳纤维复合材料中的碳纤维脆性大、硬度高，制合材料制孔与钛合金制孔的切削难度与质量要求，孔时刀具磨损较快。碳纤维复合材料制孔缺陷除普碳纤维复合材料与钛合金叠层结构制孔时主要考虑通的几何缺陷（如孔的尺寸误差、圆度误差、位置误钛合金对制孔刀

5、具和制孔工艺的要求。差等）外，还包括孔壁周围材料分层、出口撕裂与毛［２］碳纤维复合材料和铝合金制孔时一般都采用较刺、入口劈裂等碳纤维复合材料制孔特有的缺陷高的切削速度，二者组成叠层结构制孔时，综合考虑（见图１）。二者对制孔刀具和制孔工艺的要求。""碳纤维复合材料制孔缺陷形成机理碳纤维复合材料的切削过程与弹塑性的金属材料切削过程相同，主要通过剪切力和弯曲变形切断材料（见图２）。弯曲变形和压力导致纤维断裂，剪切变形导致基体断裂，同时在边界处表面比较松散，已加工表面形成损伤。图１碳纤维复合材料制孔缺陷碳纤维复合材料制孔过

6、程中，钻头切入复材时，收稿日期：２０１６年９月切削刃上的缠绕扭曲造成了入口处的纤维拔出、撕８４工具技术裂等缺陷（见图３）。钻头切出复材时，钻头横刃和段且各有优点。通过试验，可以准确并有效地将结切削热的轴向推力造成了出口处的分层和撕裂等缺果展现出来，但是试验研究不仅周期较长，而且成本陷（见图４）。较高。因此，在试验之前先通过有限元仿真进行模拟，不仅可以减少成本，还可以对后续的试验起到指导作用。ＡＢＡＱＵＳ是工程模拟常用的有限元分析软件，被用于解决一些非线性、大变形的问题。采用有限元法来模拟切削过程，可以得到实际切削试验

7、难以得到的切削过程特性。图２碳纤维复合材料制孔过程#!模型分析由于钻头模型较复杂，需要由大型三维ＣＡＤ软件绘制。通过ＵＧ软件创建钻头模型，并导入到ＡＢＡＱＵＳ软件中进行有限元分析。钻头的项角、螺旋角和外缘后角是三个影响其寿命和加工质量的主要因素，通过单因素法分析不同刀具角度对碳纤维复合材料与钛合金制孔的影响。图３钻头切入时的缠绕扭曲图４钻头切出时的推力#"边界条件设置过大的轴向力会造成碳纤维复合材料制孔时的在钻孔过程中，碳纤维复合材料与钛合金叠层分层、撕裂和孔口纤维拔出等缺陷。制孔过程中的结构固定在机床的工作台上

8、，刀具相对于工件沿轴轴向分力包括钻头横刃上的轴向分力和钻头切削刃向进给，并绕自身轴线旋转。因此，在ＡＢＡＱＵＳ软上轴向分力（见图５、图６），制孔过程中钻头切削刃件中，固定碳纤维复合材料与钛合金叠层结构的四的缠绕导致孔口纤维拔出（见图７）。边和底面，即Ｕｘ＝Ｕｙ＝Ｕｚ＝ＵＲｘ＝ＵＲｙ＝ＵＲｚ＝０，从而确保在有限元仿真过程中工件不会发生移动。然后，