CFRP/钛合金叠层界面过渡域非均衡制孔机理及表面控性研究

CFRP/Ti laminated structure has been applied deeply from the common part to the key loaded component in the aerospace industry so the strength and the fatigue life of the structure are becoming more demanding. The quality of the connecting hole for assembly is the key to influence the strength and the fatigue. But, in the hole making process of the stack interface transition zone, there are non equilibrium states including the stress state along the direction of the cutting edge, the stress state in the rotation cycle, friction and wear state, thermal expansion and contraction caused by cutting heat etc.. Therefore, the method of "theory exploring, test research and computational simulation" is adopted to analysis the drilling behavior, non equilibrium state of stress, friction and wear etc. in the stack interface transition zone; build the non equilibrium mechanic model, dynamic cutting force model, and surface roughness evolution model; reveal the mechanical state of the transition zone, dynamic cutting force law, the formation law of the surface quality and the friction and wear law between the hole wall and cutter blade etc. to effectively control the hole defects and surface characteristics, realize the equilibrium and optimized hole making design in the stack interface transition zone. Finally, theory and method are provided to guarantee the quality of the hole, the safe and reliable service of the stack structure.

随着CFRP/钛合金叠层结构在航空航天等领域的应用由一般零件向主承力关重件发展，对其结构强度和疲劳等要求越来越苛刻，该结构装配的连接孔质量是影响结构强度和疲劳的关键。叠层界面过渡域制孔过程中存在沿刀刃方向受力不同、旋转周期内受力不同、摩擦磨损状态不同、切削热引起孔热胀冷缩不同等非均衡问题。针对这些问题，采用理论探索、实验研究和计算仿真等方法，分析界面过渡域钻削行为、非均衡受力状态、摩擦磨损现象等；建立界面过渡域制孔过程的非均衡力学模型、切削力动态变动模型和摩擦磨损引起的表面粗糙度演变模型等；揭示过渡域制孔力学状态、切削力动态作用规律、表面质量形成规律和孔壁与刀具刀刃的摩擦磨损规律等，进而有效控制界面过渡域的制孔缺陷和表面特性，实现界面过渡域制孔均衡优化设计，提升CFRP/钛合金叠层界面过渡域制孔质量的稳定性和一致性，为该结构更加安全、可靠服役的设计制造决策提供基础理论与方法。

随着CFRP/钛合金叠层结构在航空航天等领域的应用由一般零件向主承力关重件发展，对其结构强度和疲劳等要求越来越苛刻，该结构装配的连接孔质量是影响结构强度和疲劳的关键。叠层界面过渡域制孔过程中存在沿刀刃方向受力不同、旋转周期内受力不同、摩擦磨损状态不同、切削热引起孔热胀冷缩不同等非均衡问题。.围绕以上问题，分析了CFRP各向异性及切削力非均匀变化，揭示了CFRP表面质量形成规律；探究了工件弱刚性对过渡域钻削力及表面质量的影响机理；揭示了刀具的磨损趋势与制孔质量的变化规律；提出了低温辅助、多目标参数优化和临界压脚力等质量优化措施。取得的重要结果如下：.（1）建立了CFRP直角切削的三维多相有限元模型。仿真结果直观地展示了基体和纤维的失效形式、切屑形成过程、不同情况下切削亚表面损伤深度，揭示了切削力随纤维方向角的变化规律，并通过试验验证了该有限元建模仿真方法的有效性。.（2）探明了CFRP钻削周期内的钻削轴向力分布规律。在单层板钻削过程的单个钻头旋转周期内，轴向力与主切削刃的切削比功率均经历两次周期性变化。若同时切削多纤维方向相互垂直的若干铺层能进一步减轻轴向力的波动。.（3）揭示了CFRP/钛合金叠层构件刚度对过渡域层间缺陷的影响机理。层间缺陷包括层间积屑和复材表面划伤，其中由切屑是主要的缺陷形式；CFRP／钛合金叠层结构制孔轴向力极值随工件刚度的减小而略微下降，模型预测值的平均绝对预测误差为5.9%；层间损伤因子与进给率和层间间隙正相关，而与刚度负相关；提出了以工艺参数和工件刚度为函数的临界压脚力的预测模型，实验表明临界压脚力下层间缺陷几乎不存在。.（4）提出了CFRP/钛合金低温辅助制孔工艺。在常温、干冰冷却和液氮冷却三种冷却条件下对CFRP/钛合金叠层构件进行制孔，发现在低温冷却条件下，虽然低温下的轴向切削力增大，但孔径一致性得到明显改善，并且CFRP出口毛刺和钛合金烧伤减少，孔的质量得到提高，证明了低温下CFRP/钛合金叠层构件制孔的可行性。