基于运动学及力热分析的CFRP超声振动辅助螺旋铣孔质量影响机制

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer/plastic,CFRP)因其较高的比强度、耐腐蚀性、耐疲劳性等优异性能,被广泛应用于航空航天领域,但作为各向异性的难加工材料,制孔过程易产生损伤。针对CFRP超声振动辅助螺旋铣孔质量为研究内容,首先建立了轴向超声辅助螺旋铣孔的运动学方程,对与孔壁接触的侧刃的切削轨迹、速度、超声辅助螺旋铣孔过程侧刃的有效前角进行了求解。分析了有无超声振动条件下CFRP孔表面的纤维断裂及材料去除机理,在切削角度为0~45°范围内,螺旋铣纤维主要承受拉伸应力,而超声辅助螺旋铣条件下纤维承受变向剪切作用,纤维易断裂且与基体脱粘现象显著降低。此外,研究了工艺参数(轴转速、螺距、切向每齿进给量)对CFRP超声振动辅助螺旋铣孔切削力和切削温度的影响规律。结合切削力、热、切削刃与刀具的相对位移、运动速度及有效前角的变化,分析了工艺参数对毛刺、分层损伤及出入口孔径的影响机制。研究表明由于超声振动的存在,工艺参数影响刀具与工件的接触及分离属性、刀具的有效前角,从而影响切削过程中的力、热的变化,进而影响制孔质量。