钻削碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料孔出口分层抑制策略

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碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC)具有各向异性、不均匀性、硬度高、脆性大的特点,是典型的难加工材料。钻削碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料出现的孔出口分层缺陷严重影响了其在航空航天等领域的应用。本文以C/SiC材料为研究对象,以抑制钻削碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料孔出口分层缺陷为目标展开研究,借助理论分析和实验研究两大工具,运用CAD、CATIA、MATLAB、SPSS、ORIGRIN等计算机辅助软件,研究了孔出口分层的形成过程及其产生原因,提出了孔出口分层缺陷的抑制策略,从而为航空航天领域钻削碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料提供理论依据。首先,本文对碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的孔出口分层进行了理论分析。以待加工部位为研究对象,对钻削过程进行了受力分析,建立了切削力模型,分析了孔出口分层缺陷的形成过程和孔出口分层机理,建立了孔出口分层模型。得出结论如下:揭示了孔出口分层缺陷的形成过程,其顺序依次是①在轴向钻削力的作用下,未钻削部分出现变形;②随着钻削过程的持续进行,未钻削部分的变形逐渐增大;③C/SiC陶瓷基复合材料的层间结合强度不能抵抗变形,裂纹扩展并相互贯通,孔出口分层缺陷出现。定性分析孔出口分层模型的相关变量,得到优化加工工艺、降低轴向钻削力和增大临界裂纹应变能释放率是抑制孔出口分层的基本途径。其次,本文对碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的孔出口分层进行了实验研究。通过使用硬质合金AlTiN涂层刀具、CBN焊接刀具、PCD焊接刀具、钎焊金刚石刀具进行钻削实验,观察、分析了不同刀具钻削之后的孔出口分层损伤程度,以及相应的刀具磨损。研究了钻削加工过程中不同加工参数对孔出口分层因子的影响。得出结论如下:钎焊金刚石磨粒钻是一种适合钻削加工C/SiC陶瓷基复合材料的刀具;增大主轴转速和降低进给速度均可以抑制孔出口分层缺陷;切屑对轴向钻削力和孔加工质量均有显著影响,降低切屑对钻削过程的影响可以抑制孔出口分层。再次,本文基于轴向钻削力进行了孔出口分层缺陷抑制的相关研究。建立了轴向钻削力经验公式预测模型,并进行了显著性检验,对轴向钻削力和孔出口分层进行了统计学变量分析,最后基于轴向钻削力提出了抑制孔出口分层的相关策略。得出结论如下:轴向钻削力经验公式表明轴向钻削力与刀具直径、主轴转速、进给速度均有显著性关系,其中对轴向钻削力影响最大的是进给速度,其次是主轴转速,最后是刀具直径;轴向钻削力和孔出口分层缺陷之间的皮尔逊系数为0.945,表明二者具有显著正相关性,意味着降低轴向钻削力可以抑制孔出口分层缺陷;优化加工参数可以有效降低轴向钻削力,进而抑制孔出口分层缺陷;优化数控程序,控制钻削路径及相应参数同样可以有效降低轴向钻削力,抑制孔出口分层缺陷。最后,本文基于裂纹应变能释放率进行了孔出口分层缺陷抑制的相关研究。进行了裂纹应变能释放率与孔出口分层的进一步分析,对裂纹应变能释放率和断裂韧性的关系作了理论研究,提出了材料制备法增强工件断裂韧性和机械法增强工件断裂韧性两种方法,最后通过开展实验,验证了理论分析的可靠性,提出了抑制孔出口分层缺陷的相关策略。得出结论如下:增加陶瓷基复合材料裂纹应变能释放率的有效途径之一是提高其断裂韧性。提高材料断裂韧性的两条有效途径是材料制备法和机械法;材料制备法增强工件断裂韧性的方法主要包括优化铺层结构、纤维增强体改性、优化制备工艺三种基本途径;机械法增强工件断裂韧性的理论分析和实验数据均表明,通过人为对工件施加压应力,增强其断裂韧性和临界裂纹应变能释放率,可以有效抑制孔出口分层缺陷。
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