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1、科技成果学术论文纤维增强复合材料的机械加工技术MachiningTechnologyofFibreReinforcedComposite北京航空航天大学李志强樊锐陈五一陈鼎昌[摘要]综述了复合材料的机械加工技术。对机现象,当切削参数不合理时会使层间受力过大而导致械加工的机理、切削力、切削温度进行了较详细的论分层,分层会严重降低材料的性能甚至使零件报废,即述,分析了复合材料机械加工的特点,介绍了加工表面使是微小的分层也是非常严重的安全隐患。完整性的研究及提高加工质量的有效措施。(2)刀具磨损严重,耐用度低。关键词:复合材料机械加工加工机理表面切削区温度高
2、且集中于刀具切削刃附近很窄区域完整性内,纤维的回弹及粉末状的切屑又加重了擦伤刃口和[ABSTRACT]Themachiningtechnologyofcom后刀面,加之碳纤维的硬度非常高,故刀具磨损严重,positeissummarized.Themachiningmechanism,cutting后刀面产生沟状磨损,耐用度低。forceandcuttingtemperaturearedescribedindetail.(3)产生残余应力。Themachiningcharacteristicsofcompositesareana加工表面的尺寸精度和表面粗糙度不易达到要ly
3、zed.Thesurfaceintegrityandtheeffectivemeasures求,容易产生残余应力。这主要是因为切削温度较高,forimprovingthemachiningqualityareinvestigated.增强纤维和基体树脂的热膨胀系数相差太大。Keywords:CompositeMachiningMachining由于复合材料呈现各向异性,层间强度低,切削时mechanismSurfaceintegrity在切削力的作用下容易产生分层、撕裂等缺陷,钻孔时尤为严重,加工质量难以保证。据统计,飞机在最后组复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料,
4、装时,钻孔不合格率要占全部复合材料构件报废率的通过工艺手段组合而成的。它的各个组成材料在性能60%以上。上起到协同作用,得到较好的综合性能,是一类新型的2复合材料的加工机理工程材料。碳纤维增强复合材料(CFRP)除具有质轻和良好复合材料的切削加工理论研究至今还不多见。A.[2]的力学性能外,还有优良的隔热、消音、减震性能,因而Koplev等在1983年利用快速落刀法进行了试验,试广泛地应用于航空航天领域,在建筑、交通运输、电子、验表明,CFRP的切屑是一系列的脆性断裂所形成的体育等方面也有着相当广泛的应用。小段,与金属切屑不同,这些切屑不承受大的塑性变尽管复合材料技术发展迅速
5、,而且也取得了不少形,这一结论目前得到了普遍的认可和应用。研究成果,但大部分研究主要集中在材料成型和力学近些年来,日本大阪大学的花崎伸作等人对切削性能设计等方面,有关复合材料的二次加工等方面的CFRP时刀具的磨损机理进行了研究,还利用有限元[3,4]研究则比较少,特别是有关加工工艺的研究更是处于法对CFRP切削机理进行了解析计算,得到了一起步阶段。随着复合材料应用的日益广泛,二次机械个非常有意义的结论:不论碳纤维与切削方向成什么加工越来越多,机械加工所引起的问题也会越来越受角度,纤维被切断的原因都是由于刀具切削力引起的到重视。垂直于纤维自身轴线的剪切应力超过了纤维的剪切强度极限
6、。1复合材料的加工特性北京航空航天大学的张厚江根据切削方向与纤维CFRP是由质软而粘性大的基体和强度高、硬度方向夹角的不同把复合材料的切削细分为纤维劈裂大的纤维混合而成的二相或多相结构,其力学性能呈型、纤维切断型和弯曲剪切型3种形式,并分析了不同[5]各向异性,机械加工条件比较恶劣,是典型的难加工材类型下的切屑形成和表面粗糙度的关系。美国空军[1]料。碳纤维复合材料切削加工的主要特点如下:材料研究所D.H.Wang等人利用直角自由切削的方(1)材料产生分层破坏。法对单向和多向复合材料的切削机理进行了试验研[6]分层是复合材料铺层之间脱胶而形成的一种破坏究,总结出了纤维方向与切
7、削方向夹角为一定范围342003年第12期科技成果学术论文时,纤维、基体所受剪切力与宏观两方向切削力间的经验公式;并以几个常见铺层角度为例,试验探讨了纤维方向与切削方向夹角对加工表面粗糙度的影响。2.1复合材料的切削力在切削力的研究方面,国内外的相关报道不多。根据以往的研究,北京航空航天大学把切削复合材料[1]时的切削力分为以下3个部分:(1)克服被加工材料弹性变形的抗力;(2)克服被加工材料中纤维断裂和基体剪切的抗图1纤维角与切削力的关系力;Fig.1Relationshipbet
