磨粒切厚可控的CFRP超声振动铣磨基础研究

WWith the development of fabrication of advanced materials, carbon fiber reinforced plastics (CFRP) has been used extensively in many industries due to its superior specific strength and high temperature resistance, high corrosion resistance and good thermal shock resistance. However, due to the characteristics of high hardness, anisotropy, heterogeneity, poor thermal conductivity and the low interlayer intensity, machining of CFRP comes along with certain difficulties like fiber pull-out, delamination and decomposition of matrix material which leads to a degradation of the surface quality and the material properties. The object of the project is to improve processing quality and achieve efficient processing of CFRP components by combining ultrasonic vibration milling technology and control undeformed chip thickness of grain cutting edge. The main researches include the fracture mechanisms of CFRP under the cutting action of abrasive in different carbon fiber direction, CFRP machining quality control based on undeformed chip thickness of grain cutting edge, design of diamond milling tools based on the ultrasonic machining system, collaborative optimization of machining efficiency and the machining quality, and verification test of the ultrasonic vibration milling. Ultimately, machining quality and machining efficiency could be improved. The project will improve machining technology of CFRP components in large aircraft C919 and four-generation fighter. At the same time the project will enrich theory of ultrasonic vibration milling composite, and the work offers the theoretical background and sustention for difficult problems for difficult problem of CFRP machining.

CFRP的高硬度、各向异性、非均质性、导热性差、层间强度低等特性，导致在机械加工中易出现分层、撕裂、毛刺、树脂融化、纤维崩缺等加工质量问题，同时存在加工效率低下、刀具寿命短的问题。本项目拟通过利用超声振动铣磨技术与控制单颗磨粒切厚相结合的方法改善加工质量，实现CFRP结构件的高效加工。主要开展磨粒对不同结构形式中不同碳纤维方向的CFRP作用机制研究、基于单颗磨粒切厚可控的CFRP加工质量控制、金刚石铣磨工具与超声加工系统匹配性研究、加工质量与加工效率的协同优化与CFRP典型结构超声振动铣磨验证。最终达到提高加工质量与加工效率的目的。 本项目的研究可掌握大型飞机C919和四代隐身战机高性能CFRP结构件的高效加工技术；使我国拥有CFRP超声振动复合加工方面的自主核心技术。同时该研究对完善CFRP超声振动复合加工基础理论，促进多学科的实质性交叉融合，起到重要的支撑和推动作用。

CFRP具有比强度、比模量与比刚度高、热膨胀系数小、抗疲劳性能好及耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、能源、体育等领域。CFRP结构件主要采用近净成型技术，但为了保证形状尺寸精度和装配公差，材料成型后仍需进行机械加工，如铣边和钻孔等。CFRP的高硬度、各向异性、非均质性、导热性差、层间强度低等特性，导致在机械加工中易出现分层、撕裂、毛刺、树脂融化、纤维崩缺等加工质量问题，同时存在加工效率低下、刀具寿命短的问题。有鉴于此，本项目在分析磨粒对不同碳纤维方向的CFRP作用机制的基础上，开展了基于磨粒切厚可控的CFRP超声振动铣磨基础和试验研究，实现了CFRP结构件的高质与高效加工。主要工作包括：.（1）采用MATLAB计算了单颗磨粒在超声振动状态下的运动轨迹，分析了磨粒运动参数与单颗磨粒切厚之间的关系；建立了超声振动切削力模型，揭示了超声振动作用使刀具达到“刀具锋利化效果”的机理；研究了不同CFRP（T300/3234、T700/5429与T800/924C）超声振动铣磨表面加工形貌，分析了纤维切削角对表层纤维断裂的影响规律。.（2）建立了最大单颗磨粒切厚的数学解析式，分析了超声辅助磨削时振幅与谐振频率对最大单颗磨粒切厚的影响规律；揭示了单颗磨粒切厚相同条件下金刚石磨粒粒径对CFRP磨削加工的影响规律；确定了适宜于CFRP加工的磨粒粒径及单颗磨粒切厚；并分析了容屑空间与CFRP树脂基体玻璃化温度间关系的分析。.（3）采用ANSYS分析了刀具基体与超声振动系统的匹配性，确定了刀具基体材料；设计了刀具磨料层的排布方式，制作了单层钎焊金刚石铣磨刀具；通过分析超声振动辅助铣磨加工的切削力、CFRP层合板表面质量与刀具磨损，评价了超声振动铣磨专用钎焊金刚石铣磨刀具的性能。.（4）以飞机制造中的技术要求为量化指标，分析了加工参数与超声振动参数对加工表面质量的影响规律，获得了超声振动铣磨CFRP结构件的加工工艺参数；分析了高速超声振动铣磨进给速度与径向切深对切削力、已加工表面形貌的影响规律，验证了高速超声振动铣磨工艺的可行性。.（5）分析了加工刀具与CFRP层合板角度变化对加工质量的影响规律；以锯齿形蒙皮模拟试验件与变角度蒙皮模拟试验件为加工对象，验证了超声振动铣磨CFRP典型结构件的可行性。