碳纤维复合材料/铝合金叠层构件超声振动辅助钻削技术研究
发布时间：2021-02-20 20:16
随着我国航空工业的迅猛发展,碳纤维复合材料因其优越的材料性能在该领域的应用越来越广泛。然而碳纤维复合材料的层间强度低、导热性能差,传统的加工工艺难以实现碳纤维复合材料高效高质量的加工,特别是当碳纤维复合材料和金属材料形成叠层构件时加工质量更加难以保障。为此,本文采用超声振动辅助钻削技术来实现其高效高质量加工,并通过对超声振动辅助钻削力、钻削温度及钻削质量进行了系统性的分析,开展了将超声振动辅助钻削技术应用于碳纤维复合材料/铝合金叠层构件钻削领域可行性研究。本文的主要研究内容如下:（1）开展了碳纤维复合材料超声振动辅助钻削力研究。针对超声振动辅助钻削的特点,对钻头的运动学进行了研究,分析了钻头切削刃的运动轨迹,并得到了钻头的动态钻削厚度和平均钻削厚度,同时结合直角切削模型和Hertz接触理论,建立了一种超声振动辅助钻削碳纤维复合材料的钻削力模型。另外开展了超声振动辅助钻削碳纤维复合材料钻削力实验,实验结果和理论值具有相同的变化趋势,验证了模型的合理性和有效型。（2）开展了碳纤维复合材料/铝合金叠层构件超声振动辅助钻削温度研究。通过对钻削温度理论和钻削过程的研究,研究了钻削过程中热源的产生...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１波音７８７中各种材料所占的比重??
１绪论?硕士学位论文??工业的迅速发展，Ｃ９１９大型客机的首飞成功，特别是在国内外获得的订单越来越多，??复合材料及铝合金的大量应用是必然的趋势。如图１．２所示为２０００年和２０２０年（预测）??飞机上各种材料所占比例。可以看出复合材料的使用比例将大幅增加，在２０２０年预计??占飞机材料的６５％左右，而铝合金的使用量虽有下滑但是依然占据着１５％的比重。因此，??近期碳纤维复合材料／错合金叠层构件的加工将是一直存在的问题。??ＨＰ?ＡＩ?■■?Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｅｓ??＿Ｔｉ?國?ＡＩ??■■?Ｓｔｅｅｌ?！■?Ｓｔｅｅｌ???１５％?：?］?Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｅｓ?一?１５％?Ｔｉ??／Ｃ?１５％?１５％??細——曝??２０００年飞机上各种村料的使用比例?２０２０年飞机上＆种材Ｒ的使用比例??图１．２飞机各材料使用比例??制孔是在飞机结构件中最为常见的加工方式，例如，Ｆ－２２战斗机的一副机翼有１．４??万个孔需要加工，一架波音７４７飞机上的连接孔就多达３００多万个「１。因此，碳纤维复??合材料在飞机结构件的加工中不可避免的存在钻孔问题。而钻孔是铆接或螺栓连接工艺??的关键环节，孔的质量是保证连接质量的关键。有统计表明飞机机体７０％？８０％的疲劳??破坏发生在机构相互连接的部位，８０％的疲劳裂纹产生于连接孔处１８］。因此，碳纤维复??合材料／培合金叠层构件中孔的加工问题一直备受关注，如何实现叠层材料高质高效的钻??孔是飞机制造领域一个必须解决的难题。??碳纤维复合材料是一种难加工材料
硕士学位论文?碳纤维复合材料／错合金叠层构件超声振动辅助钻削技术研究??起材料分层和纤维拔出，从而使得孔壁表面粗糙度增大。图１．３和１．４分别为碳纤维复??合材料钻孔损伤的示意图和观测图。对于碳纤维复合材料，其导热性相对较差、耐热性??能较低、其中的环氧树脂基体玻璃化温度不高，在钻削加工过程中产生过高的钻削温度??会严重影响其各项的力学性能，进而影响碳纤维复合材料的使用性能。因此，将超声振??动技术引入现有的加工工艺可以有效降低钻削力，并从工艺设计出发减小钻削温度，进??而减少或消除叠层材料制孔损伤具有重要的意义。??ＡＤ，?１Ｋ?ｊ?Ａ＾Ｓｉ?［；，?？?？，糸？??￣－＾＝?ｘ?｜?乂?觀??Ｗ?Ｍ孔壁周围：分层Ｉ??，??／??出口？毛刺｜７?＼｜孔径：尺寸误差｜?齡匕?、？?，?〇＇、：，｝?＼??图１．３碳纤维复合材料钻孔损伤示意图?图１．４碳纤维复合材料钻孔损伤观测图??超声振动辅助钻削是超声加工和普通钻削加工进行叠加而形成的一种复合加工技??术＾１。与普通钻削相比
【参考文献】：
期刊论文
[1]钛合金旋转超声辅助钻削的钻削力和切屑研究[J]. 邵振宇,李哲,张德远,姜兴刚,秦威. 机械工程学报. 2017(19)
[2]CFRP/Al叠层结构钻铰锪一体制孔切削力建模与预测技术[J]. 王宁,张开富,祝起凡. 机械科学与技术. 2016(01)
[3]7000系高强铝合金的发展及其在飞机上的应用[J]. 姬浩. 航空科学技术. 2015(06)
[4]PTFE/CFRP/铝合金叠层材料钻削试验研究[J]. 王昌赢,邱坤贤,魏莹莹,安庆龙,陈明,蔡晓江. 航空制造技术. 2015(10)
[5]C/E复合材料高速钻削温度测量研究[J]. 蔡建国,林正英. 机械制造与自动化. 2015(02)
[6]CFRP/Al叠层钻孔粉状切屑对加工质量的影响[J]. 南成根,吴丹,马信国,陈恳. 清华大学学报(自然科学版). 2015(03)
[7]碳纤维增强树脂基复合材料制孔技术研究现状与展望[J]. 陈燕,葛恩德,傅玉灿,苏宏华,徐九华. 复合材料学报. 2015(02)
[8]复合材料紧固孔分层激光超声量化表征试验[J]. 周正干,孙广开,陈秀成,王捷. 航空学报. 2014(08)
[9]碳纤维复合材料/铝合金叠层制孔的轴向力研究[J]. 孙鑫,田威,刘姿,李大鹏. 机械制造. 2014(06)
[10]碳纤维/环氧树脂复合材料钻削温度场建模与试验[J]. 鲍永杰,高航,梁延德,朱国平. 兵工学报. 2013(07)
博士论文
[1]超声辅助加工系统研发及其在复合材料加工中的应用[D]. 马付建.大连理工大学 2013
[2]振动钻削新钻削力模型及定、变参数振动钻削的研究[D]. 王昕.吉林大学 2004
硕士论文
[1]航空材料制孔缺陷抑制及工艺研究[D]. 胡坚.南京航空航天大学 2016
[2]超声振动微孔钻削研究[D]. 刘翔.太原理工大学 2015
[3]碳纤维复合材料切削制孔机理与实验研究[D]. 凌杰.中北大学 2015
[4]飞机壁板叠层材料精密制孔工艺研究[D]. 刘姿.南京航空航天大学 2015
[5]单向C/E复合材料钻削温度场研究[D]. 朱国平.大连理工大学 2013
[6]轴向振动钻削机理及进给方向毛刺形成与控制技术研究[D]. 王磊.江苏大学 2008
本文编号：3043288
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１波音７８７中各种材料所占的比重??
１绪论?硕士学位论文??工业的迅速发展，Ｃ９１９大型客机的首飞成功，特别是在国内外获得的订单越来越多，??复合材料及铝合金的大量应用是必然的趋势。如图１．２所示为２０００年和２０２０年（预测）??飞机上各种材料所占比例。可以看出复合材料的使用比例将大幅增加，在２０２０年预计??占飞机材料的６５％左右，而铝合金的使用量虽有下滑但是依然占据着１５％的比重。因此，??近期碳纤维复合材料／错合金叠层构件的加工将是一直存在的问题。??ＨＰ?ＡＩ?■■?Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｅｓ??＿Ｔｉ?國?ＡＩ??■■?Ｓｔｅｅｌ?！■?Ｓｔｅｅｌ???１５％?：?］?Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｅｓ?一?１５％?Ｔｉ??／Ｃ?１５％?１５％??細——曝??２０００年飞机上各种村料的使用比例?２０２０年飞机上＆种材Ｒ的使用比例??图１．２飞机各材料使用比例??制孔是在飞机结构件中最为常见的加工方式，例如，Ｆ－２２战斗机的一副机翼有１．４??万个孔需要加工，一架波音７４７飞机上的连接孔就多达３００多万个「１。因此，碳纤维复??合材料在飞机结构件的加工中不可避免的存在钻孔问题。而钻孔是铆接或螺栓连接工艺??的关键环节，孔的质量是保证连接质量的关键。有统计表明飞机机体７０％？８０％的疲劳??破坏发生在机构相互连接的部位，８０％的疲劳裂纹产生于连接孔处１８］。因此，碳纤维复??合材料／培合金叠层构件中孔的加工问题一直备受关注，如何实现叠层材料高质高效的钻??孔是飞机制造领域一个必须解决的难题。??碳纤维复合材料是一种难加工材料
硕士学位论文?碳纤维复合材料／错合金叠层构件超声振动辅助钻削技术研究??起材料分层和纤维拔出，从而使得孔壁表面粗糙度增大。图１．３和１．４分别为碳纤维复??合材料钻孔损伤的示意图和观测图。对于碳纤维复合材料，其导热性相对较差、耐热性??能较低、其中的环氧树脂基体玻璃化温度不高，在钻削加工过程中产生过高的钻削温度??会严重影响其各项的力学性能，进而影响碳纤维复合材料的使用性能。因此，将超声振??动技术引入现有的加工工艺可以有效降低钻削力，并从工艺设计出发减小钻削温度，进??而减少或消除叠层材料制孔损伤具有重要的意义。??ＡＤ，?１Ｋ?ｊ?Ａ＾Ｓｉ?［；，?？?？，糸？??￣－＾＝?ｘ?｜?乂?觀??Ｗ?Ｍ孔壁周围：分层Ｉ??，??／??出口？毛刺｜７?＼｜孔径：尺寸误差｜?齡匕?、？?，?〇＇、：，｝?＼??图１．３碳纤维复合材料钻孔损伤示意图?图１．４碳纤维复合材料钻孔损伤观测图??超声振动辅助钻削是超声加工和普通钻削加工进行叠加而形成的一种复合加工技??术＾１。与普通钻削相比
【参考文献】：
期刊论文
[1]钛合金旋转超声辅助钻削的钻削力和切屑研究[J]. 邵振宇,李哲,张德远,姜兴刚,秦威. 机械工程学报. 2017(19)
[2]CFRP/Al叠层结构钻铰锪一体制孔切削力建模与预测技术[J]. 王宁,张开富,祝起凡. 机械科学与技术. 2016(01)
[3]7000系高强铝合金的发展及其在飞机上的应用[J]. 姬浩. 航空科学技术. 2015(06)
[4]PTFE/CFRP/铝合金叠层材料钻削试验研究[J]. 王昌赢,邱坤贤,魏莹莹,安庆龙,陈明,蔡晓江. 航空制造技术. 2015(10)
[5]C/E复合材料高速钻削温度测量研究[J]. 蔡建国,林正英. 机械制造与自动化. 2015(02)
[6]CFRP/Al叠层钻孔粉状切屑对加工质量的影响[J]. 南成根,吴丹,马信国,陈恳. 清华大学学报(自然科学版). 2015(03)
[7]碳纤维增强树脂基复合材料制孔技术研究现状与展望[J]. 陈燕,葛恩德,傅玉灿,苏宏华,徐九华. 复合材料学报. 2015(02)
[8]复合材料紧固孔分层激光超声量化表征试验[J]. 周正干,孙广开,陈秀成,王捷. 航空学报. 2014(08)
[9]碳纤维复合材料/铝合金叠层制孔的轴向力研究[J]. 孙鑫,田威,刘姿,李大鹏. 机械制造. 2014(06)
[10]碳纤维/环氧树脂复合材料钻削温度场建模与试验[J]. 鲍永杰,高航,梁延德,朱国平. 兵工学报. 2013(07)
博士论文
[1]超声辅助加工系统研发及其在复合材料加工中的应用[D]. 马付建.大连理工大学 2013
[2]振动钻削新钻削力模型及定、变参数振动钻削的研究[D]. 王昕.吉林大学 2004
硕士论文
[1]航空材料制孔缺陷抑制及工艺研究[D]. 胡坚.南京航空航天大学 2016
[2]超声振动微孔钻削研究[D]. 刘翔.太原理工大学 2015
[3]碳纤维复合材料切削制孔机理与实验研究[D]. 凌杰.中北大学 2015
[4]飞机壁板叠层材料精密制孔工艺研究[D]. 刘姿.南京航空航天大学 2015
[5]单向C/E复合材料钻削温度场研究[D]. 朱国平.大连理工大学 2013
[6]轴向振动钻削机理及进给方向毛刺形成与控制技术研究[D]. 王磊.江苏大学 2008
本文编号：3043288
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