CFRP制孔加工中空气冷却工艺的研究

发布时间：2023-11-18 12:19

　　随着航空航天事业的蓬勃发展,碳纤维增强复合材料(CFRP)以其质轻高强的优良特性,愈发被广泛应用。然而在对CFRP材料进行制孔的过程中,受其内部纤维相的磨蚀作用,切削区温度很高,极易诱发加工损伤,导致构件力学性能低,服役寿命短。因此有必要对切削区进行冷却。然而,受CFRP材料性能限制,传统的冷却方法并不适用。为此,本文以易获取、无残留的空气作为冷却介质,开展了对空气冷却工艺方法及工艺参数的研究,以降低钻削温度,提升加工质量。主要研究内容及结论如下:(1)建立了CFRP钻削区的流场环境有限元模型,获得了不同冷却空气方向及压力条件下,流场内的气体流速和气压分布规律。结合平行流壁面换热理论,得到了冷却空气方向及压力与换热系数之间的计算方程。为后续深入探究气流参数与加工损伤间的关系提供了理论依据;(2)基于流场仿真结果,发现冷却空气流向会显著影响加工质量。为此,搭建了可控气体流向的实验平台,分析了空气流向对刀具磨损及加工损伤的影响规律。结果表明,采用逆向冷却气流更能够推迟刃口进入快速磨损阶段。对比出口损伤发现,正向吹气冷却会加重损伤,而逆向气流产生的损伤与干切削差异不大。根据上述结论,提出了通...

【文章页数】：78 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
1.绪论
    1.1 论文研究背景
        1.1.1 碳纤维增强复合材料(CFRP)
        1.1.2 CFRP的制孔加工
        1.1.3 CFRP制孔加工中产生的损伤和切削热问题
    1.2 国内外CFRP冷却加工研究现状
        1.2.1 温度对CFRP加工质量影响的研究现状
        1.2.2 CFRP冷却辅助工艺方法的研究现状
        1.2.3 CFRP冷却辅助工艺参数的研究现状
    1.3 研究内容与创新点
2 空气流向及压力对切削区的影响仿真
    2.1 切削区气流环境
    2.2 流场建模及参数设定
        2.2.1 创建几何体及部件划分
        2.2.2 网格的划分及局部细化
        2.2.3 边界层设定及相关参数计算
    2.3 仿真求解及后处理
        2.3.1 检查及求解
        2.3.2 速度及压力分布云图
        2.3.3 三维流线图
    2.4 基于平板换热理论的气流影响分析
3 冷却空气流向对刀具磨损及出口损伤的影响
    3.1 实验材料及实验平台
        3.1.1 实验用基础钻型及CFRP板材
        3.1.2 实验平台功能要求及对应解决方案
    3.2 刀具磨损测量及终孔质量评价方法
        3.2.1 刀具磨损的表征方法
        3.2.2 出口撕裂损伤评价方法
        3.2.3 出口毛刺损伤评价方法
    3.3 冷却空气流向对刀具磨损的影响分析
        3.3.1 钝圆半径变化及分析
        3.3.2 后刀面磨损长度变化及分析
    3.4 冷却空气流向对出口损伤的影响分析
        3.4.1 出口撕裂分析
        3.4.2 出口毛刺高度分析
    3.5 逆向冷却工艺的提出
4 基于出口毛刺悬臂梁模型的逆向冷却工艺参数优化
    4.1 出口毛刺悬臂梁模型
    4.2 逆向冷却工艺实验获取模型参数
        4.2.1 实验平台的升级
        4.2.2 切削温度
        4.2.3 材料模量的计算
        4.2.4 钻削轴向力
        4.2.5 纤维断面尺寸
    4.3 实验验证模型准确性
    4.4 本章小结
5 逆向冷却相关设备开发
    5.1 便携式逆向冷却设备开发
        5.1.1 设备开发要求及对应解决方案
        5.1.2 最终设备及实验效果
    5.2 机夹式逆向冷却设备开发
        5.2.1 设备开发要求及对应解决方案
        5.2.2 最终设备及实验效果
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢



本文编号：3865272