碳纤维复合材料微小孔加工机理与高质量加工关键技术研究

Under the trend of the lightweight and miniaturization in high-tech field, carbon fiber reinforced composites show extremely wide application outlook and value. In order to meet the assembly requirements of the micro-parts, a large number of holes need to be produced. However, due to their characteristics of anisotropic, non-homogeneous, low interlaminar strength and the poor heat dissipation condition of the micro-hole, damages such as burr, spalling, delamination, shape and position error are more easier to appear than the common dimension hole-making. Aims at this problem, this project will firstly study the removal mechanism of the carbon fiber reinforced composites under micro-scale cutting. Machining and damage mechanism of the micro-hole will be investigated through experiments and theoretical analyses of the fiber fracture mode, chip formation, block and wear of the tool, cutting force, cutting heat and their interaction. New type micro-tool will be developed. Key technique of the ultrasonic assist abrasive drilling will be explored concerning the micro-hole making of carbon fiber reinforced composites. The research findings of this project will not only theoretically reveal the damage mechanism of carbon fiber reinforced composites micro-hole, but also further promote the application of carbon fiber reinforced composites in the micro-parts of the high-tech field.

碳纤维复合材料在高新技术领域产品轻量化、小型化发展趋势下显示出极其广阔的应用前景和使用价值。为了满足微小零器件的连接装配要求，必须进行大量的微小孔加工。然而，由于复合材料的不均匀性、各向异性、层合结构以及微小孔径下散热条件差等特点，使复合材料微小孔加工比常规制孔加工更容易产生毛刺、撕裂、分层等损伤和形状、位置误差。因此，本课题从微小尺度下碳纤维复合材料加工去除机理研究入手，通过试验观测、理论建模、工艺试验等方法，从碳纤维束的切断方式、切屑形成、刀具堵塞与磨损、切削力、热及其交互作用等方面深入研究碳纤维复合材料的微小孔加工机理与损伤产生机制，研制新型制孔刀具，探索碳纤维复合材料超声波振动辅助钻磨加工微小孔新工艺及其关键技术，以实现其高质量加工。本项目的研究不仅从理论上对碳纤维复合材料微小孔加工损伤产生机理进行揭示，而且其成果能够促进碳纤维复合材料在高新技术领域微小器件产品上的进一步推广应用。

碳纤维增强环氧树脂基复合材料在高新技术领域产品轻量化、小型化的发展趋势下具有广阔的应用前景和使用价值。微小零器件的连接装配需要进行大量的微小孔加工，而碳纤维复合材料的难加工性以及小孔径加工时散热条件差、微小刀具刚度低等特点，使复合材料微小孔加工比常规尺寸的孔加工更容易产生加工损伤，制孔尺寸、形状、位置精度难以保证。针对以上问题，本项目通过理论分析与加工试验相结合的方法，对碳纤维复合材料微小孔加工过程的力、热以及损伤产生机理等方面开展了较为系统深入的研究。搭建了复合材料微小孔加工测力测温试验平台。研究了微小尺度下碳纤维复合材料去除的力学行为，揭示了材料的各向异性对碳纤维复合材料制孔毛刺和撕裂损伤以及孔壁形貌产生的影响机制。探讨了碳纤维复合材料微小孔钻削时钻头刃口半径的尺寸效应，得出径向和轴向方向均存在尺寸效应。测量和分析了微小孔钻削过程中轴向力、扭矩和钻削温度的变化规律；获得了后刀面磨损量随制孔个数的变化曲线；对小孔加工质量包括毛刺损伤、撕裂损伤、孔径误差、圆度误差等进行了检测；讨论了不同工艺参数条件和刀具磨损状态下切削力、切削热对碳纤维复合材料微小孔加工质量的影响规律。通过回归分析得到了轴向力、扭矩和钻削温度与转速和进给速度之间的关系式，并进行了相对应的回归方差分析以验证公式的有效性。表征了制孔损伤，提出了碳纤维复合材料微小孔质量的综合评价方法和数学模型，能够有效评价不同工艺参数下的制孔质量。建立了工艺参数优化模型，为碳纤维复合材料小孔加工参数和刀具寿命的合理选择提供试验依据和理论指导。在本项目的资助下，发表学术论文7篇，申请国家发明专利2项，培养硕士研究生3名。通过开展各项研究工作，完成了课题的各项任务，达到了课题预期的目标。