连续SiC纤维增强钛基复合材料高精度大孔的异步混频振动制孔机理研究

Continuous SiC fiber reinforced titanium matrix composite is easy to produce delamination, fiber spinning, tear, surface scratches and other defects in the hole processing, which is seriously hindered its extensive promotion and Application. For high precision large hole (diameter 10mm or above) preparation, a new hole processing methods with the asynchronous and mixing frequency vibration is presented and the hole processing mechanism and technological effect of continuous SiC fiber reinforced titanium matrix composites under the action of biaxial asynchronous vibration were revealed. The research contents mainly involves: A comprehensive experimental system was set up to study the macro/micro properties of the reinforcing phase, matrix and its composites, which could help to build quantitative characterization of machining defects and thermal damage model of fiber/matrix interface. According to the succession of drilling process, the rigid flexible coupling dynamics and multi process simulation of whole hole processing were carried out for revealing the vibration characteristics, chip breaking mechanism and thermal stress distribution of the tool/workpiece system, which illuminates the feasibility of the new method. Finally, based on the data driven and LS-SVM prediction algorithm, the prediction model of the integrity of the hole surface is established. This project is not only the perfection and supplement to the machining technology of difficulty processing material, but also will provide theoretical guidance and basic data for the development and application of new materials and new processes.

连续SiC纤维增强钛基复合材料在孔加工时极易产生层间分层、撕裂、纤维抽丝等缺陷，严重阻碍了其在航空航天领域的大量推广和应用。本项目针对相比于小孔加工有着更高加工质量和效率要求的高精度大孔（直径10mm以上）加工，提出异步混频振动制孔新方法，进一步开展基础性应用科学研究，探明其高效低损伤制孔机理和工艺效果。内容包括：研究增强相、基体及其复合材料的宏/亚微材料性能及加工特性，建立主要加工缺陷的定量表征和纤维/基体界面的热力损伤模型；开展制孔过程的刚柔耦合动力学和多工序仿真分析，揭示刀/工系统的振动特性和断屑机理；分析制孔全程的热-力时空演化规律和缺陷继承及其去除的临界条件，研究制孔表面质量的综合评价体系及其评价方法，建立制孔表面完整性的预测模型，为该类型复合材料构件的设计、制造和应用提供参考。本项目研究不仅是对航空航天难加工材料机械加工技术的完善和补充，也将为新材料和新工艺的开发与应用提供理论指导和基础数据。

连续纤维增强钛基复合材料在孔加工时，极易产生层间分层、撕裂、纤维抽丝等缺陷，极大限制了其在航空航天领域的推广和应用。本项目提出了低频振动与超声振动相结合的混频振动制孔新方法，开展了振动辅助钻削轴向力模型理论和实验研究，探明了其高效低损伤制孔机理和工艺效果，其内容包括： .（1）结合断裂压痕理论分析了超声振动冲击作用，提出并建立了考虑冲击-热综合软化效应的钻削力模型；分析了材料综合软化系数的理论，运用实验数据建立温度–幅值比–软化系数响应面，直观描述了热软化系数的变化规律。.（2）细致分析了钻削力和钻削温度对其微观性能的影响，讨论了切屑形式、孔壁表面粗糙度、残余应力、应力层厚度等表面完整性与加工参数间的内在联系。研究发现钻削过程中基体与晶须连接处主要受到轴向应力的影响，造成连接处开始失效的原因是由于受到剪切破坏；超声振动钻削制孔的孔壁残余应力值、白层厚度、孔壁粗糙度相比常规钻削分别降低了4.67~16.31%、42.48%、5.98~29.27%。.（3）创新设计并制作了一种基于压电作动器的纤维推出装置，通过实验获得了基体/增强相的界面剪切强度，借助有限元软件分析了SiC纤维增强钛基复合材料在纵向载荷作用下的失效机理。.（4）创新建立了单向-三自由度UVAD的动力学模型，采用稀疏模态分析方法，设计了超声振动辅助钻削系统的模态实验系统；利用Matlab数字分析软件绘制不同振动频率与幅值下的稳定性叶瓣图，结果表明振幅对加工稳定性的影响更加显著。 .（5）扩展立铣刀切削力建模方法，首次建立了低频扭振螺旋铣孔过程中切削力模型，并在轴向力的计算中加入了底刃钻削的轴向力；设计并制备了低频扭振螺旋铣孔装置，开展了异步混频振动制孔实验研究，研究表明孔加工质量明显优于无扭振制孔加工。.（6）针对陶瓷/FRP层叠复合，开展了层叠复合构件进行孔加工工艺研究，发现低频振动钻削能降低轴向钻削力。对比实验表明：层叠构件各部分轴向力与单独材料轴向力变化规律一致，低频轴向振动套孔加工对Al2O3、GFRP及层叠复合构件的自动落料率分别提高了13.44%、6.41%、23.78%，有助于实现工程批量化生产。.本项目为解决上述制孔瓶颈问题提供了有效途径，不仅是对难加工材料机械加工技术的完善和补充，也将为新材料和新工艺的开发与应用提供理论指导和基础数据。