UD-C/C复合材料切削材料去除机理及表面损伤抑制方法研究

Carbon-carbon(C/C) composite is the only hyper high temperature material which can keep high mechanical property over 2000°C. It offers some superior properties, such as lightweight, high specific stiffness, high heat resistance, and it is a difficult-to-machine structural material with potential for use considerable in the parts involving high temperatures, especially in the aeronautic, aerospace and automotive industries. Influenced by the different internal structure of this material, the machining theory of composite materials is not suitable to describe the material removal mechanism and surface damage evolutionary process of C/C composite. Hence, focusing on the basic problem that the influence mechanism of fiber direction on machinability of C/C composite, dynamic behavior of carbon fiber and carbon matrix during the cutting process will be investigated through the inspection of contact phenomenon in the interface of tool-material for the machining of UD-C/C composite. The influences of fiber orientation，fiber and void distribution on cutting force and chip formation will be studied, and the cutting force and thermal prediction models will be developed for the machining of UD-C/C composite. Moreover, the evolutionary mechanisms for surface damage and tool wear under coupling effect of cutting force and thermal will be researched. The surface damage predication model will be established for the machining of UD-C/C composite. Finally, the surface damage suppression strategy and tool design optimization method will be proposed for the cutting of C/C composite. The developed theory and technologies for UD-C/C composite can enhance the cutting theory for composite materials, and provide basic theories and methods for high performance machining of C/C composite equipment.

C/C复合材料是目前唯一可在2000°C以上保持较高力学性能的低密度、高比强的超高温材料，在航空航天汽车等领域具有广阔的应用前景。由于内部组织结构的差异，现有切削理论无法很好的解释其材料去除机理和加工表面损伤过程。为此，本项目围绕纤维方向对其切削性能影响机制这一基本科学问题，针对单向纤维C/C(UD-C/C)复合材料，通过研究刀具-材料界面之间的相互作用过程，揭示碳纤维和基体在切削时的失效动态演化行为；研究纤维方向、纤维分布和孔隙率对切削力和切屑形成的影响机制，建立适用于UD-C/C复合材料的切削力和温度场预测模型；揭示力、热耦合作用下的材料加工表面损伤形成演化机理和刀具磨损机理，构建加工表面损伤演化预测模型，并提出面向C/C复合材料的加工表面损伤抑制方法和刀具优化设计方案。项目预期可丰富C/C复合材料的切削基础理论，形成一套优化的加工参数库，并可为C/C复合材料构件研究奠定技术基础。

C/C复合材料是目前唯一可在2000°C以上保持较高力学性能的低密度、高比强和耐热冲击的超高温材料，成为航天器鼻锥、离子推力器栅极以及航空发动机导向叶片和涡轮外环等热端部件的理想材料。但其构件加工容易出现毛刺、撕裂等加工表面损伤，严重影响其服役性能。针对该问题，以UD-C/C复合材料为主要研究对象，开展了切削加工材料去除机理和加工表面损伤抑制研究。.通过正交切削试验，记录并分析了刀具-材料界面之间的相互作用过程，揭示了沿垂直纤维方向、沿纤维方向和沿纤维横截面三个方向切削时纤维方向对材料去除的影响机制以及纤维和基体的失效动态演化行为，获得了基体剪切、纤维剪切和复合材料剪切等多种材料去除模式，分析了加工表面损伤形貌和形成机理。针对纤维和孔隙的分布特点，基于能量法提出了一种考虑纤维与孔隙分布规律和基于微小代表性体积单元的横向正交瞬时切削力动态预测模型，实现了沿不同角度横向正交切削时的动态切削力预测，切削力的试验值和预测值的概率分布函数证明了模型的可靠性。.开展了不同纤维方向角的拉伸、压缩和剪切试验，基于Jones-Nelson本构模型理论提出了改进的UD-C/C复合材料拉-压双模量本构模型，并建立了宏观正交切削有限元仿真模型，分析了切削力的变化规律。基于三点弯试验和边界效应计算出了UD-C/C复合材料的断裂能，建立了一种基于纤维图像识别的细观正交切削力仿真模型，分析了纤维和基体的断裂过程，揭示了沿纤维横截面方向切削时的加工损伤形成演化机理。.开展了C/C复合材料钻孔轴向力预测，对比分析了超声振动辅助下的钻孔、铰孔和磨孔的加工表面损伤情况，发现超声振动辅助磨孔加工所产生的毛刺最小、加工损伤最小。优化了某型航空发动机C/C复合材料构件的加工工艺，实现了加工表面损伤的有效控制，成功完成了相关构件的加工和测试验证。.项目成果丰富了C/C复合材料切削基础理论，优化了加工工艺方法，为相关构件加工奠定了技术基础。