力热耦合对碳纤维复合材料制孔缺陷的影响机理与对策

航空航天领域最常用的碳纤维复合材料构件在工作量最为繁重的制孔作业中极易产生毛刺、撕裂和分层等无法修补的严重缺陷，而其各向异性、层间强度低、对力、热敏感等特点致使缺陷成因极为复杂，缺陷形成机理仍未被很好的揭示，在实际生产中，不得已沿用金属加工工艺和细分工序的手工作业加工方式，成为复合材料应用和发展的瓶颈之一。本课题以碳纤维复合材料为研究对象，从材料的切削机理入手，揭示碳纤维破坏的力学行为，分析力、热及其耦合作用对制孔缺陷形成的影响机制，并通过建立制孔温度场模型，阐述钻孔过程中切削热形成的温度分布和温度梯度对缺陷的影响规律，在此基础上研制电镀超硬磨料刀具，研究"以磨代钻"内冷却加工工艺，探索碳纤维复合材料高效、低损伤制孔策略。本项目的重要意义不仅体现在学术上系统地对碳纤维复合材料加工缺陷机理的揭示，而且在于其研究成果能够促进我国大型复合材料构件的高效加工技术的发展。

通过开展各项研究工作，完成了课题合同所规定的各项任务，并达到了课题预期的各项指标。通过对碳纤维复合材料典型缺陷的分类、观测，对缺陷的产生过程进行了分析，阐述了缺陷形成机制，建立了缺陷的分布模型；在线检测了制孔过程中切削力的变化过程，以麻花钻为例，建立了钻削过程中钻削力模型；以单向碳纤维复合材料为研究对象，采用局部均匀化假设和移动热源温度传导理论，建立了制孔过程中温度场分布的数学模型，并采用热电偶和红外测温的方法对温度场分布模型进行了试验验证，试验结果表面碳纤维复合材料的温度场数值分析与试验数据具有较好的一致性；在对碳纤维复合材料切削力学行为及缺陷产生机理等研究的基础上，分析了力热及其耦合作用对碳纤维复合材料制孔缺陷的形成的影响规律，并对不同工艺参数条件下力热变化对加工质量的影响进行了分析,试验结果表明复合材料制孔缺陷在切削力、热耦合作用下形成的；针对碳纤维复合材料钻孔加工难点，研制了中空结构电镀金刚石磨料砂轮，利用多刃微切削原理实现复合材料制孔加工，并通过冷气冷却的方法，对切削区域进行冷却，减少切削热对加工质量的影响，取得了良好的加工效果，刀具使用寿命提供3-5倍，制孔质量与传统硬质合金刀具相比显著提高。. 在本项目的资助下，获得辽宁省科学技术进步奖一等奖1项，发表学术论文8篇（EI检索7篇），申请专利1项，培养硕士生3名。