芳纶纤维复合材料加工过程力热耦合作用机理及损伤消减策略

Base on the process requirements of typical composite components in the field of aerospace and national defense and aimed at Kevlar fiber reinforced composite structure characteristics of anisotropy, low interlaminar strength, heat-sensitive, force-sensitive etc, and the challenges of severe damage such as avulsion , delamination and burns during the process of make hole or edge trimming, starting from the cutting mechanism of the material, the removal mechanical behavior can be revealed. The model of temperature field and thermal stress field in the process of machining hole will be established, furthermore, the time-varying law of the force and heat in the processing will be analyzed, the formation mechanism of cutting damage under the effects of force, heat and the coupling can be clarified. On the basis of basic experiments and theoretical analysis, researches on developing diamond abrasive tools and exploring the new principle of grinding-trimming process will be conducted to explore the low damage hole-making strategy for composite components by reducing the cutting force and heat. The project has great significance for the promotion and the development of large-scale composite material component processing technology.

以航空航天和军工领域中典型复合材料构件的加工需求为背景，面向芳纶纤维复合材料各向异性、层间强度低、对力热敏感等特点，以及制孔、切边加工中极易产生撕裂、分层、烧伤等无法修补的严重缺陷的难题和挑战，从材料切削机理入手，揭示材料去除的力学行为，建立复合材料的制孔温度场分布模型和热应力场分布模型，分析加工过程中力、热的时变规律，阐明力、热及其耦合作用下对加工缺陷形成的作用机制，在基础研究和理论分析的基础上，以降低加工过程中切削力、切削热为目的，研制金刚石磨料制孔、切边工具，开展"磨+切"一体化加工工艺新原理试验研究，探索复合材料构件的低损伤加工策略。本项目对于促进我国大型复材构件加工技术的发展具有重要意义。

通过开展各项研究工作，完成了项目所规定的各项任务，并达到了课题预期的各项指标。针对芳纶纤维复合材料加工过程易产生分层、毛边等缺陷及刀具磨损严重等问题，依据研究目标，对芳纶纤维复合材料的加工过程力学行为和材料切除机理进行了研究，对复合材料加工缺陷形成过程与形态演变进行分析，并建立了复合材料各向异性受力破坏力学模型建立，分析了制孔过程中剩余刚度变化对缺陷生成的影响；对材料加工过程中切削热引起的温度场及热应力场进行了建模与仿真，分析了材料不同加工区域的温度分布和温度梯度，并分析了切削热应力对材料破坏的细观形态变化规律；研究了不同温度下，树脂的强度变化，分析了缺陷生成的热影响机制，并试验检测了加工过程中切削力和不同区域温升的变化规律。通过试验分析切削力、切削热变化过程中制孔缺陷的形成及演变规律，确定了不同刀具、不同工艺条件下切削力变化与加工缺陷形成的关系，分析了力热耦合作用下对加工质量的影响规律；建立了复合材料磨粒加工模型，研制了基于微刃多切削原理的金刚石磨料制孔、切边砂轮，并开展多种铣钻刀具的复合材料可加工性试验，优选高适应性制孔、切边刀具，开展了“磨+切”一体化加工工艺试验研究，分析了加工过程中切削力、切削热和加工质量的变化规律，并与传统加工工艺进行对比，确定出了合理的工艺参数范围；研究了刀具加工过程中性能衰变规律，分析刀具衰变过程中切削力、切削热和加工质量的变化规律，确定了刀具寿命，为实现航空航天纤维增强树脂基复合材料的低损伤高效制孔加工提供理论支撑和技术支持。