先进制造技术大作业

先进制造技术大作业机械研1101闫子彬211040112012.1.5大连理工大学机械工程学院国内外研究现状综述：1.CFRP材料的应用现状：碳纤维增强树脂基复合材料（以下简称CFRP）以其比强度高、比刚度大，具有吸音、隔热、防震、透微波、抗腐蚀、抗疲劳性能好和可设计性等诸多优点，近几十年来，在航空、航天、交通运输工具、船舶、建筑、机械等众多工程领域得到愈来愈广泛应用，特别是在各类飞机、舰船和运载工具上的使用率正以惊人的速度不断地增长。

在航空航天领域中，CFRP 的应用得到了普及式的推广。

目前已大量应用于军事和民用飞机，甚至于航天运载火箭和卫星等领域。

复合材料的用量已成为航空航天结构先进性的标志之一。

[1]图1 CFRP在工业各方面的应用复合材料构件的二次机械加工是其制造过程中的重要工序之一，其加工精度和表面质量对复合材料的力学性能和使用寿命具有重要的影响。

近几年来，随着复合材料在航空航天部门的广泛应用，有关其机械加工的研究显得日益重要。

2.CFRP制孔过程中的分层缺陷问题目前，纤维增强复合材料在航空航天等工程结构上多以层合板（壳）形式出现，如飞机机身、机翼的蒙皮，火箭圆柱壳体等，其制造过程是将单层板按照一定的纤维方向和铺放次序叠层，通过粘合剂，加热固化处理而成。

为了满足装配连接、开窗等需要，复合材料结构部件在固化成型后通常还要进行二次机械加工，其中钻削制孔是二次机械加工中的重要工序之一，几乎可占总加工量的一半以上，如F-35复合材料前机身要钻1500个孔（如图1所示），而一副F-22战斗机机翼要钻14000个孔。

但是由于复合材料的力学性能呈现各向异性、沿厚度方向的成层性，且层间强度低、韧性差，同时碳纤维的硬度高、强度大、导热性差等特性，导致二次机械加工过程中，特别是制孔过程中极易产生毛刺、撕裂、分层等缺陷。

而在这诸多缺陷中，分层是破坏效果最大的几种缺陷中最为明显的一种。

[2] 对于制孔过程中产生的分层缺陷，它是指由层间应力或制造缺陷等引起的复合材料铺层之间的脱胶分离破坏现象，在碳纤维复合材料（CFRP）钻孔过程中，孔壁周围材料出现的层间分离破坏是在钻削加工中出现的最主要的缺陷之一。

[3] 此外，由于复合材料各组分的导热性差，在钻削加工过程，刀具切削刃附近的温度会明显增加，实验发现高速钻削时，切削刃的温度会超过 300℃，这将直接导致树脂基体的粘结强度下降，加剧分层等缺陷的产生，甚至会发生基体烧损、纤维拔出等现象，而目前对力热耦合作用下的复合材料钻削缺陷机理的研究还是鲜见的。

3.CFRP钻削分层缺陷的检测方法东北林业大学的张彭涛提出了使用超声回波法检测CFRP分层缺陷的观点；张厚江，陈鼎昌提出了使用声学显微镜来检测CFRP分层缺陷的方法和氯化金渗透液分层检测方法。

另外，X射线检测法和激光检查法也是有效的检测方法。

对于简单的检测，可以使用敲击检测法来检测CFRP中的钻削缺陷。

4.影响CFRP钻削分层缺陷的因素钻削力是复合材料加工过程中的重要参数之一，研究钻削力对钻削机理、机床的设计具有重要作用。

同时，钻削力的大小直接影响着钻孔质量，也是造成孔壁周围材料分层、孔出口撕裂的主要原因[5]。

钻削碳纤维复合材料钻削力的来源主要有三方面:克服被加工材料弹性变形的抗力;克服被加工材料中纤维断裂和基体剪切的抗力;克服切屑对前刀面的摩擦阻力和后刀面与已加工表面间的摩擦阻力。

北京航空航天大学的学者总结出了钻削参数和钻头几何参数对钻削力影响曲线，并建立了单因素经验公式。

针对单向CFRP，胡凡等人还建立了一个钻削力理论模型。

在对单向CFRP的钻削过程中，发现钻削轴向力和扭矩受纤维方向的作用存在着明显的周期性。

在整个孔钻入到钻出过程中，轴向力和扭矩是从小到大然后再由大到小变化的，且扭矩的变化比轴向力的变化要滞后一些。

Hoeheng H 等[4]通过试验分析得出：分层因子Fd 与平均轴向力Fz间存在着线性或分段线性关系：平均轴向力Fz 越大，分层因子Fd 越大，分层越严重。

因此，可以通过平均轴向力的大小以及制孔质量，来评判不同钻削工艺的优劣。

Koenig等人在1985年对CFRP的加工试验中，得出一个结论：钻削过程中的高进给速度容易引起孔出口处的分层。

Miller于1987年提出了一个钻削加工中获得孔最小缺陷的工艺参数数据。

Davim和Reis研究了4mmCFRP板的钻削工艺参数对分层的影响，研究得到，分层程度随着进给速度和切削速度的增加而增大。

Capello通过研究CFRP钻削加工中进给速度对分层的影响得到，进给速度较低时不产生分层，当进给速度增加时，麻花钻的后倾角变为负值，从而推挤而非剪切加工材料，最终导致材料分层。

5.对于复合材料钻削分层的理论分析模型自上世纪九十年代起，国内外学者在复合材料破坏和分层机理分析的基础上，开展了复合材料加工缺陷的理论和实验研究。

一些学者基于线弹性断裂力学及复合材料界面分层理论，开展了复合材料钻削加工时所导致的分层缺陷的理论研究[6]。

在研究过程中通常建立如图2所示的分析模型。

在该模型中，简化了钻头的几何外形，并将复合材料简化为各向同性的均匀材料，根据钻头的几何外形不同，基于断裂力学的能量释放率准则，可以分别推导出导致分层扩展的临界轴向钻削力的经验公式。

但由于复合材料钻削加工过程中各种作用力和破坏行为交互影响，缺陷形成极其复杂，理论模型中简化了刀具的几何外形和复合材料的力学特性，不能反映出各种因素的影响，难以获得精确的分析结果。

因此，目前复合材料钻削缺陷的研究还以实验测试分析为主[7]。

图2 复合材料钻削分层的理论分析模型6.对于CFRP钻削过程的数值模拟与数值分析上述研究工作通常基于大量的实验测试分析，以便从中找出规律，提出改进措施，然而复合材料制备周期长、成本高，测试过程难度大、费用昂贵。

因此，美国已提出材料结构的设计应由过去的实验为主，向分析为主的设计方法转变。

随着计算机硬件和有限元软件的高速发展，开展复合材料钻削加工过程的力学仿真，获得不同加工参数条件下的动态钻削力、刀具和工件的变形与振动状态和已加工表面的形貌等，为钻削参数和刀具的选择及优化提供可靠的力学依据，这已成为当前复合材料机械加工的一个重要研究方向[11]。

近年来，内聚区模型（cohesive zone model）已越来越广泛地应用于复合材料界面分层扩展分析中，该模型认为在裂纹前缘存在一个微小的区域，称为内聚区（如图3所示），在该区域内材料发生着损伤演化，模型的本构关系可由内聚区的内聚力T和上下表面的相对位移δ来描述。

该模型的特点是将经典断裂力学的断裂韧性理论和连续介质损伤力学的损伤演化理论相结合，具有分析精度高和成本低的优点。

内聚区模型主要应用于模拟碳纤维和树脂基体之间的分层模型。

通过建立相应的数值分析模型(如ANSYS模型)来模拟钻削CFRP材料时产生的分层情况。

图3 裂纹前缘内聚区模型在钻削过程的模型建立方面，文献[12]中应用Samcef软件建立了一个有限元分析模型，并应用虚拟裂纹扩展(VCE)的方法来计算能量释放率。

在对这个有限元模型进行分析时，文献[12]采用了四种不同的加载方式：集中载荷方式，三角形分布式载荷方式，区域集中载荷方式以及均布载荷方式。

通过实验，得到了在不同载荷条件下与分层数有关的钻削力曲线。

另外，对于CFRP钻削分层模拟的理论模型还有Hocheng–Dharan (HD)模型、Upadhyay 模型、Lachuad 模型、Jain–Yang (JY)模型、Zhang 模型等。

在文献[2]中提到了一种修正的钻孔出口适用的分层模型，在实际模拟时与ocheng–Dharan (HD)模型、Upadhyay 模型、Lachuad 模型、Jain–Yang (JY)模型比较得到了比较好的模拟效果。

7.对于复合材料钻削过程中分层缺陷的改善方法提高碳纤维复合材料孔加工质量的方法主要有以下几种：(1)控制切削用量试验研究表明，钻削碳纤维复合材料时，分层因子Fd与平均轴向力Fz之间存在线性或分段线性的定量关系。

而轴向力Fz是随进给量f的增加而增加的，因此，钻削碳纤维复合材料时，可以通过改变进给量f，把轴向力Fz保持在允许的范围内，就可以控制分层因子Fd，保证孔的加工质量。

如果能在钻出过程即将发生时，用改变切削用量的方法，使轴向力的下降速率与待切削部分材料层的强度下降速率相适应，就能避免该部分材料未进入切削先行破坏，从而避免分层、撕裂现象的产生。

(2)选用合适钻型钻削碳纤维复合材料有两种较好硬质合金钻头，一种是美国波音公司使用的横刃修磨钻头，一种是美国洛克希德公司使用过的枪孔钻。

(3)采用合理工艺超声波振动钻孔是一种较好的工艺。

超声波振动钻孔可大幅度降低钻削力，减小材料分层，提高孔加工质量。

钻孔出口面加垫板，可减小出口撕裂和分层。

垫板材料可选用硬塑料板、夹布木板或硬铝板等。

对碳纤维复合材料与铝或钦组成的叠层复合材料。

钻孔时最好从碳纤维复合材料面钻入。

这样可不加垫板支撑。

用硬质合金钻头按钻铝或钦的钻削速度，将孔钻通即可。

否则，若从铝或钦一面钻入，则最好在出口面加垫板支撑。

振动冲孔也是复合材料一种制孔方法。

上下冲头先夹住板材起振，频率5OHz，振幅士.03mm，预振零点几秒后再边振动边作冲压运动，把板材孔冲出。

孔周，孔壁光整。

另外，有关于利用高压水射流切割孔的报道。

但这种方法加工表面粗糙度较大，且孔径尺寸精度不易保证。

大连理工大学的郭东明和高航等学者在复合材料缺陷机理分析的基础上，提出了“以磨代钻”的高效低损伤加工工艺，为CFRP的加工工艺探索了一条新思路。

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