NOMEX蜂窝材料切边加工损伤抑制试验研究

发布时间：2020-04-14 08:36

【摘要】：经济性是21世纪现代航空工业发展的关键词,而轻量化设计是实现经济性的最佳途径。为了追求极致的轻量化设计,夹层结构已在航空工业中得到了广泛应用,如飞机的地板和襟翼。迄今为止,兼具宏观蜂窝结构特点和细观芳纶纤维增强复合材料特点的芳纶蜂窝材料无疑是最理想的航空夹层芯材之一,A380就大量使用了杜邦公司生产的NOMEX蜂窝(一种间位芳纶蜂窝材料)。然而,NOMEX蜂窝优异的物理、力学以及化学性能同样给后续的加工带来了极大的难度,且蜂窝结构在W-L面内呈现突出的弱刚性特点,切边加工中易出现孔壁退让现象,孔壁难以被有效地切断,毛刺以及撕裂等加工损伤频发。针对上述加工难题,国内外已开展了大量的有益研究,在高效加工技术及刚性补偿方法等方面取得了显著进展,提出了超声辅助加工技术、电磁固持方法、冰结固持方法等关键技术,但在材料去除机理、损伤形成机制及损伤抑制策略等方面的理论尚不成熟,缺乏对NOMEX蜂窝宏/细观结构特点的考量。针对上述研究现状,为实现NOMEX蜂窝的低损伤切边加工,本文依托于国家自然科学基金面上项目“芳纶纤维复合材料加工过程力热耦合作用机理及损伤消减策略”,结合NOMEX蜂窝的宏/细观结构特点对其刚性特点、损伤成因、切削过程以及切削角度进行了系统分析,提出了合理的损伤抑制策略,并研制了一种专用多齿切边刀具。本文的核心工作和取得成果如下:(1)结合NOMEX蜂窝的物理、力学性能特点,从宏/细观角度对其可加工性进行了系统研究,揭示了NOMEX蜂窝加工难题的根源所在。首先,开展了关于NOMEX蜂窝刚性特点的研究,对不同孔壁位置的加工损伤特征进行了理论预测与试验验证,确定了NOMEX蜂窝的宏观切削特点;其次,结合蜂窝孔壁的细观构成,建立了NOMEX蜂窝单层孔壁的切削模型,对典型加工损伤的成因进行了分析,确定了NOMEX蜂窝的细观切削特点。(2)为探究NOMEX蜂窝的损伤抑制策略,在考虑刀具空间结构及位置的基础上,结合蜂窝孔壁的薄壁及周期特点,对切削过程进行了系统研究。首先,通过几何分析确定了切削过程中关键切削角度(接触角/切入角)的计算方法,从刀齿与孔壁的接触状态和运动关系入手,分析了孔壁受力状态的变化,阐释了上述切削角度变化对加工损伤的影响,并提出了基于切削角度调控的损伤抑制策略;其次,在切削角度分析的基础上,对圆盘刀具的断/连续切削过程进行了对比研究,揭示了现有无齿圆盘刀具易形成撕裂损伤的根本原因。(3)为保证NOMEX蜂窝损伤抑制策略的顺利实施,基于复合材料切削机理,研制了NOMEX蜂窝专用多齿切边刀具,并通过刀具几何角度试验确定了最佳楔角β~*和最佳刃倾角λ_?~*。由于符合断续切削过程和多刃微切削原理,自研切边刀具可以有效切断NOMEX蜂窝孔壁,配合本文提出的基于切削角度调控的损伤抑制策略,能够较好地满足航空夹层芯材的低损伤切边加工要求,基本实现了撕裂损伤的抑止和其他加工损伤的抑制。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V250;TB33

【参考文献】