力熱耦合對碳纖維複合材料制孔缺陷的影響機理與對策

《力熱耦合對碳纖維複合材料制孔缺陷的影響機理與對策》是依託大連理工大學,由鮑永傑擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：力熱耦合對碳纖維複合材料制孔缺陷的影響機理與對策
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鮑永傑

項目摘要

航空航天領域最常用的碳纖維複合材料構件在工作量最為繁重的制孔作業中極易產生毛刺、撕裂和分層等無法修補的嚴重缺陷，而其各向異性、層間強度低、對力、熱敏感等特點致使缺陷成因極為複雜，缺陷形成機理仍未被很好的揭示，在實際生產中，不得已沿用金屬加工工藝和細分工序的手工作業加工方式，成為複合材料套用和發展的瓶頸之一。本課題以碳纖維複合材料為研究對象，從材料的切削機理入手，揭示碳纖維破壞的力學行為，分析力、熱及其耦合作用對制孔缺陷形成的影響機制，並通過建立制孔溫度場模型，闡述鑽孔過程中切削熱形成的溫度分布和溫度梯度對缺陷的影響規律，在此基礎上研製電鍍超硬磨料刀具，研究以磨代鑽內冷卻加工工藝，探索碳纖維複合材料高效、低損傷制孔策略。本項目的重要意義不僅體現在學術上系統地對碳纖維複合材料加工缺陷機理的揭示，而且在於其研究成果能夠促進我國大型複合材料構件的高效加工技術的發展。

結題摘要

通過開展各項研究工作，完成了課題契約所規定的各項任務，並達到了課題預期的各項指標。通過對碳纖維複合材料典型缺陷的分類、觀測，對缺陷的產生過程進行了分析，闡述了缺陷形成機制，建立了缺陷的分布模型；線上檢測了制孔過程中切削力的變化過程，以麻花鑽為例，建立了鑽削過程中鑽削力模型；以單向碳纖維複合材料為研究對象，採用局部均勻化假設和移動熱源溫度傳導理論，建立了制孔過程中溫度場分布的數學模型，並採用熱電偶和紅外測溫的方法對溫度場分布模型進行了試驗驗證，試驗結果表面碳纖維複合材料的溫度場數值分析與試驗數據具有較好的一致性；在對碳纖維複合材料切削力學行為及缺陷產生機理等研究的基礎上，分析了力熱及其耦合作用對碳纖維複合材料制孔缺陷的形成的影響規律，並對不同工藝參數條件下力熱變化對加工質量的影響進行了分析,試驗結果表明複合材料制孔缺陷在切削力、熱耦合作用下形成的；針對碳纖維複合材料鑽孔加工難點，研製了中空結構電鍍金剛石磨料砂輪，利用多刃微切削原理實現複合材料制孔加工，並通過冷氣冷卻的方法，對切削區域進行冷卻，減少切削熱對加工質量的影響，取得了良好的加工效果，刀具使用壽命提供3-5倍，制孔質量與傳統硬質合金刀具相比顯著提高。在本項目的資助下，獲得遼寧省科學技術進步獎一等獎1項，發表學術論文8篇（EI檢索7篇），申請專利1項，培養碩士生3名。