基于碳纳米纸的CFRP制孔质量控制

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1、r坯难加工材料加工技术先进结构材料(如新型轻质高强结构材料、高温及超高温结构材料、结构金属间化合物材料等)因优越的性能在航空领域具有巨大的发展潜力，但其较差的切削加工性在一定程度上限制了材料的应用，需要不断优化加工工艺，研究新的成形技术和方法。栏目策划：谷雨良辰钐论坛基于碳纳米纸的CFRP制孔质量控制米王共冬1’2，李南1，种强1，周丽1(1．沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳110136；2．沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳110136)【摘要】进行了钻削预埋碳纳米纸薄膜传感器碳纤维复合材料

2、的试验，钻削结果采用超声波扫描显微镜进行检测。试验结果表明：层间预埋碳纳米纸，可以实时监测钻头位置，根据钻头位置改变进给率，实现对制孔质量的精确控制。采用ABAQUS对试验方案进行模拟仿真，模拟的结果与试验结果很好地吻合，证明了该方法的有效性。关键词：碳纤维增强树脂基复合材料；分层；碳纳米纸；进给率；轴向力DOI：10．16080／j．issnl671—833x．2017．1／2．032王共冬工学博士。副教授。主要从事飞机数字化制造技术及树脂复合材料成型工艺、复合材料叠层钻孔ijpn-研究。主持博士启动基金一项，参与航空科

3、学基金、省教育厅基金各1项．近年发表学术论文10余篇。碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)以高比强度、比模量，较好+基金项目：总装预研基金项目“××××容差分配与仿真编程系统”(JZ2013002)。32航空制造技术·2017年第1／2期的耐高温、耐磨、耐腐蚀和耐疲劳等性能特点，在航空航天领域获得广泛的应用。在碳纤维复合材料的实际应用中，不可避免地要进行大量的机械加工，其中孔加工为主要的加工工艺。由于CFRP层间强度低，呈各向异性，在钻削加工时容易发生分层、撕裂、毛刺等缺陷【1】，而在所有的缺陷中，分层是影响整体结构性能的

4、主要缺陷。因此，对钻孑L过程的精确控制，抑制分层的发生，是提高复合材料装配件整体性能的关键所在。国内外学者从改变切削参数、改进加工方法、建立力学模型等方面来控制和减小分层。王慧锋等【2】研究了不同参数对孔分层影响的大小，并通过多元线性回归，得出分层和参数之间的函数关系，通过选择合适参数使孔的质量最优。Phadnis等131从试验和数值分析方面对切削参数和钻削过程中的轴向力和转矩进行研究，建立了复合材料钻削三维有限元模型；试验结果采用x射线进行断层扫描，试验结果和有限元模拟结果吻合很好。在钻削复合材料层合板时，出口处添加支撑

5、可以减少分层。Hoeheng等【41使用一种电磁铁类的混合物在钻削出口处产生磁性支撑力，可很好地抑制钻削碳纤维零件制品的分层。在有限元模型方面，Dur吾。等[5-61基于线弹性断裂力学和复合材料力学，建立了预测临界轴向力模型来模拟轴向力和分层。另外，出孔处分层临界轴向力的数学模型也在其他类型钻头上得到了应用[7-8]o目前，对分层缺陷的描述，国内外的学者们大都用分层因子或改进的分层因子进行表征。常用分层因子为L。=L／D，其中￡为最大分层区的直径，D为孔的公称直径，如图1所示。由Chen凹建立的分层因子是反应孔质量最直接的

6、测量变量。V013等[101在总结了他人的研究”㈦21后，提出一个评价质量的综合数学模型，其可靠性通过一系列钻削试验得到证实。另外，Dur宣o【51建立的分层临界轴向力力学模型(式(1)和图2圈)，从№㈨。k。№均yforo舭呲怕-culMa。。。l难加工材料加工技术最大图1分层因子示意图Fig．1Schematicofthedelaminationfactor图2分层分析模型Fig．2Modelfordelaminationanalysis宏观上对分层条件进行了分析。Fedt=7／"(器焉厂㈩式中，E嘲是分层开始的临界轴

7、向力，G。。是层间断裂韧性，E。是弹性模量，v磊是单向板的主泊松比，h是未切削层厚度。为避免发生分层，轴向力不能超过其计算值。上述大部分研究集中在临界轴向力模型、切削参数等方面，而对精确控制钻孔过程分层的研究较少。因此，本文提出了预埋碳纳米纸薄膜传感器的复合材料层合板钻削方案，分析钻头位置、进给率对分层的影响，建立层合板层数和进给率的关系，根据钻头位置适时改变进给率，进而控制钻削质量。预埋碳纳米纸的钻削技术方案钻削复合材料层合板时，层间界面脱粘为最主要的分层形式。钻削过程中(图3【l别)，入口处钻头的震动引起钻削中心偏移和

8、层合板表面纤维拉拔，易形成分层；钻削到中部时，轴向力不足以克服板的弯曲刚度和余下层间界面结合强度的耦合，因此不易发生分层；钻削到出口附近时，轴向力的冲击需要克服的仅仅是未钻削板的弯曲刚度和界面结合强度的耦合，因此易发生分层。目前，大部分研究中都是采用固定转速或固定进给率进行的，而进给率越大，轴向力越大，