飞机CFRP复材以磨代切制孔刀具及其加工机理研究

碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP）具有高的比强度、比模量、比刚度、热膨胀系数小、抗疲劳性能好及耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、能源、体育等领域。特别是为了提高飞机飞行效率，降低其生命周期成本，飞机制造商正越来越多地使用CFRP。如波音787复合材料构件重量占全机结构重量的50%左右，能够节省燃油20%，并且维修成本可节省30%，飞行的舒适性也有很大提高。CFRP结构件的装配离不开结构的连接，其应用过程中必须经历钻削加工以满足连接要求。但由于CFRP具有强度大、硬度高、各向异性等特点，存在加工质量难以保证，刀具寿命短的难题。有鉴于此，本项目在分析CFRP复材的加工缺陷与工具失效机理的基础上，依据“依材制刀”的思想，利用“以磨代切”的加工方法，开展了金刚石磨粒有序排布的钎焊金刚石套料钻研制及相关的基础和试验研究。主要工作包括：.（1）通过CFRP钻削试验，分析了孔的出入口撕裂与分层产生的原因，研究了工艺参数对孔出入口撕裂大小的影响；分析了纤维方向和切削方向间的夹角对孔壁表面粗糙度的影响；发现夹角周期性地变化，导致了孔壁不同区域的表面质量不同。.（2）通过对CFRP钻削加工过程中刀具形貌的观察，分析了刀具的失效机理。CFRP钻削时刀具磨损受热和化学作用影响小，主要是机械作用产生的磨粒磨损与粘附磨损，以及受冲击作用而出现的崩刃、涂层的片状剥落等破损现象。.（3）在分析CFRP加工性能的基础上，优化了钎焊金刚石套料钻的结构与基体壁厚；确定了钎料体系与钎焊工艺；并确定了磨粒粒度与排布方式。对钎焊金刚石套料的性能进行了评价，结果表明钎焊金刚石套料钻的钻削尺寸精度及孔壁粗糙度均满足精度要求，加工效率提高2-3倍，刀具寿命增加5倍以上。.（4）通过试验测试与有限元分析加工过程中的钻削力与钻削温度，发现钻削力随着磨粒数量增加，单颗磨粒切厚减小而降低，钻削温度随着磨粒数量增加，容屑空间减小而升高。通过比较不同套料钻钻削时磨屑与已加工表面形成过程的差异，分析了单颗磨粒切厚变化对磨粒加工机理的影响。.（5）在分析套料钻钻削CFRP时工艺参数对加工缺陷影响的基础上，从钎焊金刚石套料钻的加工机理入手，建立了套料钻加工CFRP时缺陷产生的模型，优化了钎焊金刚石套料钻实现无缺陷钻孔的工艺规范。