碳纤维/树脂基复合材料铣削表面粗糙度及表面形貌研究

目的研究了CFRP材料铣削加工过程中,部分主要工艺对CFRP材料加工表面质量的影响规律,为工艺参数优化,提高此类零件的表面质量提供依据。方法设计了CFRP材料铣削中的切削参数、刀具结构、加工方法与加工表面粗糙度及表面形貌之间的单因素试验。通过单调改变一个切削参数而其余切削参数不变,得到了工件表面粗糙度和表面形貌随切削参数、刀具结构、加工方法的变化规律。结果当铣削速度增大时,工件的表面粗糙度变化不大,表面微坑缺陷的数量却有所增加,但变小、变浅。当进给速度增大时,工件表面粗糙度呈上升趋势,表面缺陷也随之增加。无涂层多齿刀具铣削后的工件表面粗糙度最大,其次是金刚石涂层多齿刀具铣削的工件,最小的是金刚石涂层交错齿刀具铣削的工件。多齿刀具加工后的表面有较多的微坑缺陷,但普遍深度较浅且面积较小。交错齿刀具对分层缺陷的抑制作用最明显,但在左旋和右旋刀齿交错处容易出现较严重的加工缺陷。与普通机械加工方法相比,超声振动加工方法得到的工件表面质量较好,可以有效减少表面微坑缺陷,改善CFRP铣削加工表面质量。结论 CFRP材料铣削加工时,为了获得较好的加工表面质量,切削参数应选用较高的切削速度和较低的进给速度,切削刀具宜选用多齿带涂层刀具。和普通机械加工方法相比,超声振动铣削加工方法更为有利于获得好的表面质量。

碳纤维/树脂基复合材料高速铣削的刀具磨损机理

采用涂层(Ti CN,Ti Al N)与无涂层超细晶粒硬质合金立铣刀对碳纤维/树脂基复合材料进行高速铣削试验,研究了刀具后刀面磨损带扩展及刀具磨损规律,并探讨了切削力、毛刺随着刀具磨损的变化趋势,观察了刀具的微观磨损形貌,分析了刀具的磨损机理。结果表明:在相同的切削条件下,无涂层刀具的后刀面磨损量及切削力最大,毛刺扩展严重,后刀面主要发生磨粒磨损,由于黏着磨损和氧化磨损对切削刃的弱化作用,主切削刃发生了微崩刃;Ti CN涂层刀具后刀面主要发生磨粒磨损,并伴随有黏着磨损和轻微的氧化磨损,失效形式为剥落和微崩刃;Ti Al N涂层刀具的后刀面磨损量及切削力最小,毛刺扩展缓慢,更适合碳纤维复合材料的加工。其后刀面主要发生了磨粒磨损,其失效形式为剥落。

高温环境作用下T800碳纤维/AC631双马来酰亚胺复合材料的疲劳行为

在200℃高温环境下对多向铺层T800/AC631双马来酰亚胺复合材料进行了长时间暴露处理,测试了复合材料的质损率、动态力学性能和拉伸强度。根据拉伸强度确定疲劳应力水平,并测试了高温环境处理前后材料的疲劳性能。采用宏观目视和超声C扫描对复合材料疲劳损伤状况进行了表征和分析。结果表明,随着高温环境处理时间的延长,复合材料的质损率先迅速增加再缓慢增加。复合材料动态力学性能的变化归因于高温环境处理后的复合材料发生了一定程度的后固化、物理老化和界面局部脱粘。高温环境处理1000 h后,复合材料出现了轻微损伤,其疲劳寿命与原始态相比明显下降。复合材料的疲劳破坏模式主要为纤维断裂和铺层分层开裂。经历高温环境处理的T800/AC631复合材料的刚度明显下降,迟滞回能环轴线斜率和面积减少,表明复合材料出现了明显的高温老化损伤。

真空热循环对碳/双马来酰亚胺复合材料低速冲击性能的影响

对T700/HT280复合材料进行真空热循环处理(-140~180℃,10-3 Pa),分别测试真空热循环处理前后复合材料的质损率、动态力学性能和低速冲击性能。采用宏观目视、超声C扫描和有限元分析对低速冲击损伤状况进行分析、表征和模拟。结果表明,随真空热循环次数的增加,由于发生析气效应,T700/HT280复合材料及基体树脂的质损率先急剧升高然后趋于平缓。经历真空热循环处理后T700/HT280复合材料出现了一定程度的后固化、热老化和局部界面脱粘。低冲击能时主要损伤模式为基体树脂受到压缩,高冲击能时主要损伤模式转化为基体开裂、复合材料分层。有限元模拟结果与实验结果吻合。随冲击能量的增大,复合材料吸收能增加。冲击能量为30~40 J条件下,吸收能可以有效地表征出真空热循环对复合材料的环境损伤效应。

复合材料低速冲击测试与分析方法的研究进展

纤维增强树脂基复合材料广泛应用于航空航天、车辆、船舶等军事和民用工程领域。低速冲击作为一种材料在服役过程中常见的载荷状态,研究其对材料性能的影响是十分必要的。本文对近年来在复合材料低速冲击研究领域范围内常用的试验方法、环境作用与材料性能对低速冲击性能的影响,以及对低速冲击性能分析研究手段进行了讨论。最后对未来复合材料低速冲击领域的工作进行了展望。

复合材料薄壁加筋抛物面天线仿真与优化

采用Patran/Nastran有限元软件对复合材料薄壁加筋抛物面天线进行了建模和仿真分析。重点分析了反射面铺层方式、加筋结构形式以及加强筋铺层对抛物面天线基频的影响。分析结果表明:采用[0/45/-45/90]s铺层形式的反射面基频最高;增加径向和环向筋可大幅提高天线基频,其中加筋结构采用[0/30/90/-30]s铺层可进一步提高天线基频。通过有限元分析确定了基频最佳的复合材料抛物面天线结构,为制备薄壁加筋抛物面天线提供了指导。

基于萤火虫算法的CFRP材料铣削刀具结构优化

为了提高CFRP零件的加工表面质量和刀具寿命,针对其铣削加工的刀具结构进行了优化。设计了刀具结构参数与CFRP材料铣削加工表面粗糙度、后刀面磨损量之间的正交试验。应用极差分析法分析了刀具结构参数对CFRP材料加工表面粗糙度、后刀面磨损量的影响规律,并应用多元线性回归法建立了刀具结构参数与表面粗糙度、后刀面磨损量之间的数学模型。基于此模型,采用FA萤火虫算法,优化了刀具的结构参数,并进行了实验验证。结果表明:在试验参数范围内,刀具结构参数对于CFRP工件铣削表面粗糙度的影响程度依次为:后角、螺旋角、前角。当刀具的后角、螺旋角和前角增大时,工件的表面粗糙度都呈减小趋势,但减小的快慢程度不同;刀具结构参数对于后刀面磨损影响程度依次为:后角、螺旋角、前角。当刀具后角增大时,后刀面磨损量迅速上升,当螺旋角增大时,后刀面磨损量减小,当刀具的前角增大时,后刀面磨损量先减小后增大。采用FA萤火虫算法优化后的刀具结构对CFRP材料进行铣削实验,实验结果值与建立的模型预测值误差较小,表面粗糙度的误差率为3%,刀具后刀面磨损量的误差率为7.6%。

嵌锁式碳纤维/树脂基复合材料方形蜂窝夹芯结构的力学性能及损伤失效

设计并采用嵌锁组装工艺制备了碳纤维/树脂基复合材料方形蜂窝夹芯结构,开展了面外平压性能和三点弯曲性能试验研究,获得了夹芯结构在平压载荷作用下的破坏模式,分析了其损伤失效机制及吸能特性,讨论了在三点弯曲载荷作用下面板质量非对称性和槽口方向对夹芯梁的破坏模式及承载能力的影响。研究结果表明嵌锁式碳纤维/树脂基复合材料方形蜂窝夹芯结构在准静态压缩载荷下表现为从槽口附近纤维断裂到开槽侧肋板失稳断裂,再到未开槽侧肋板断裂和压溃的渐进式损伤破坏模式;压缩应力-应变曲线出现明显的二次应力平台,体现出夹芯结构优异的吸能特性;配置较厚的上面板及芯材长肋板槽口向上时,结构的承载能力和初始失效载荷更高。

刀具几何参数对CFRP材料铣削力的影响

为了提高CFRP材料铣削加工时的刀具寿命,优化此类零件加工时的刀具结构,设计了刀具几何参数(前角、后角、螺旋角)与CFRP材料铣削力之间的正交试验,得到了刀具几何参数对CFRP材料铣削力的影响规律。结果表明:刀具几何参数对X向切削力的影响程度由大到小依次为:前角、螺旋角、后角;对Y向切削力的影响程度由大到小依次为:前角、后角、螺旋角;对Z向切削力的影响程度由大到小依次为:螺旋角、后角、前角。当刀具前角增大时,三向切削力F_x、F_y、F_z整体呈减小趋势,而且减小的幅度相差不大;当刀具后角增大时,F_x和F_z先减小后增大,F_y一直减小;当刀具螺旋角增大时,F_z迅速升高,但F_x和F_y缓慢减小。

实验室模拟加速腐蚀与自然大气腐蚀的相关性

在Г.М.古尼耶夫中值老化公式的基础上,采用回归分析方法对碳纤维/环氧树脂基复合材料的实验室模拟加速腐蚀与自然大气腐蚀之间的相关性进行研究,确定了自然大气环境腐蚀试验的层间剪切强度的中值曲线方程,并得出实验室模拟加速腐蚀与自然大气环境腐蚀之间的当量关系.试样表面及断口微观形貌的观察分析进一步证明:实验室模拟加速腐蚀与自然大气环境腐蚀具有相似的腐蚀机理.

嵌锁式CFRP方形蜂窝夹芯梁低速冲击响应及失效机理

采用嵌锁组装工艺制备了碳纤维/树脂基复合材料方形蜂窝夹芯梁,实验研究了低速冲击载荷下简支和固支夹芯梁的动态响应及失效机理,获得了不同冲击速度下夹芯梁的失效模式,分析了其损伤演化过程和失效机理,探讨了冲击速度、边界条件、面板质量分布以及槽口方向等因素对夹芯梁破坏模式及承载能力的影响。研究结果表明,芯材长肋板槽口方向对夹芯梁的失效模式有较大影响,槽口向上的芯材跨中部分产生了挤压变形,而槽口向下的芯材跨中部分槽口在拉伸作用下出现了沿槽口开裂失效,继而引起面板脱粘和肋板断裂;同等质量下,较厚的上面板设计可以提高夹芯梁的抗冲击能力,冲击速度越大,夹芯梁的峰值载荷和承载能力越高;固支边界使得夹芯梁的后失效行为呈现出明显的强化效应,在夹芯梁跨中部分发生初始失效后出现了后继的固支端芯材和面板断裂失效模式。