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UHMWPE纤维复合材料超声振动辅助制孔工艺研究

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UHMWPE纤维复合材料超声振动辅助制孔工艺研究

作者：何智伟盐城工学院

学位级别：硕士

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强树脂基复合材料具备低密度、耐腐蚀、高冲击强度和能量吸收高等优异性能,被广泛用于海洋运输、医疗器械、和军工装甲等领域。但由于UHMWPE纤维复合材料的各向异性和低层间结合强度,常规加工方法难以满... 详细信息

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强树脂基复合材料具备低密度、耐腐蚀、高冲击强度和能量吸收高等优异性能,被广泛用于海洋运输、医疗器械、和军工装甲等领域。但由于UHMWPE纤维复合材料的各向异性和低层间结合强度,常规加工方法难以满足高质量制孔需求。鉴于此,本文采用超声振动辅助加工技术对UHMWPE纤维复合材料进行磨削制孔仿真与试验研究,主要研究内容如下:(1)开展了硬质合金麻花钻和金刚石套料钻的加工性能对比试验。相较于硬质合金麻花钻,金刚石套料钻磨削轴向力整体下降了33.3%,尽管磨削温度较高,但在孔加工出入口处的毛刺和分层损伤得到了更好的抑制,可满足UHMWPE纤维复合材料的高质量制孔加工要求。(2)建立常规和超声振动磨削的运动学模型;基于常规和超声振动加工时磨粒的运动轨迹,分析UHMWPE纤维复合材料材料去除和分层损伤过程;建立套料钻的磨削轴向力模型及临界轴向力模型,表明主轴转速和进给速度对磨削轴向力和发生分层损伤的影响权重较大。(3)基于ABAQUS有限元软件,建立了UHMWPE纤维复合材料三维宏观磨削制孔的动力学仿真模型。对比仿真与试验的轴向力曲线,发现两者变化趋势一致且误差值控制在10%以内,拟合程度较高;对比常规加工和超声振动加工仿真轴向力曲线及出入口表面质量,超声振动轴向力较小并且抑制出入口的分层和毛刺损伤明显减小。(4)开展UHMWPE纤维复合材料超声振动孔加工试验并分析其工艺效果。结果表明,超声振动加工在制孔过程的磨削轴向力、扭矩、温度、出入口分层比均低于常规加工。出入口分层损伤主要受轴向力和扭矩的影响,且入口分层损伤比出口分层损伤更严重。通过工件表面预夹紧的方式,可以有效减小出入口分层损伤,电木板效果最佳,亚克力板效果次之。超声振动加工有利于孔壁纤维断裂和减少树脂涂覆,粗糙度降低60.4%,孔壁表面质量进一步提高。基于上述研究,阐明了超声振动加工优良的工艺特性,建立了套料钻超声振动磨削轴向力模型及动力学有限元仿真模型,揭示了不用加工参数对轴向力、扭矩、温度及表面质量的影响规律,得到了适用于UHMWPE纤维复合材料高质量制孔的工艺参数,为UHMWPE纤维复合材料的加工提供了思路,具有良好的应用价值和理论指导。

关键词： UHMWPE 金刚石套料钻超声振动磨削轴向力分层损伤

SiC/GFRP叠层复合装甲旋转超声孔加工轴向力与制孔质量研究

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兵工学报 2022年第10期43卷 2631-2639页

作者：董香龙郑雷韦文东吕冬明朱卓志徐苏柏秦鹏盐城工学院机械工程学院江苏盐城224051 机械工业教育发展中心北京100055

SiC/GFRP叠层复合装甲成型后具有高强度、高硬度、高韧性、高黏性等特点,孔加工极为困难,易出现叠层界面失效、陶瓷崩边、纤维撕裂等损伤。采用新型烧结/钎焊复合工艺薄壁金刚石套料钻,结合旋转超声振动辅助孔加工技术,建立了单颗磨粒... 详细信息

SiC/GFRP叠层复合装甲成型后具有高强度、高硬度、高韧性、高黏性等特点,孔加工极为困难,易出现叠层界面失效、陶瓷崩边、纤维撕裂等损伤。采用新型烧结/钎焊复合工艺薄壁金刚石套料钻,结合旋转超声振动辅助孔加工技术,建立了单颗磨粒的运动学模型,超声振动套孔加工时套料钻与工件周期性地接触分离,其断续切削特性有利于减小轴向力。对SiC/GFRP叠层复合装甲进行制孔试验,分析常规加工和超声辅助加工轴向力的变化规律和制孔质量。研究结果表明,相比于常规套磨加工,超声辅助套磨加工轴向力显著减小,降幅最大达31.8%;超声加工入孔叠层界面处粘结紧密,未出现陶瓷崩碎严重的现象;有效避免了常规加工出孔处不规则隆起和隆起高度较大的缺陷,隆起高度降幅最大达61.03%,显著改善了钻削出孔表面质量,降低了出孔损伤程度,为SiC/GFRP叠层复合装甲的高效低损伤连续孔加工提供了理论参考。

关键词： SiC/GFRP叠层复合装甲旋转超声振动金刚石套料钻制孔质量

GFRP旋转超声振动套孔加工仿真及工艺研究

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机械工程学报 2023年第23期59卷 391-400页

作者：郑雷孙晓晗吕冬明刘子文朱卓志董香龙韦文东常熟理工学院机械工程学院常熟215500 盐城工学院机械工程学院盐城224051 机械工业教育发展中心北京100055

玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass fiber reinforced plastic,GFRP)具有比强度高和比模量大等特点,广泛应用于航空航天、船舶军工和汽车制造等领域。针对GFRP复合材料制孔加工中容易出现分层、撕裂等缺陷,采用旋转超声振动套孔加工方... 详细信息

玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass fiber reinforced plastic,GFRP)具有比强度高和比模量大等特点,广泛应用于航空航天、船舶军工和汽车制造等领域。针对GFRP复合材料制孔加工中容易出现分层、撕裂等缺陷,采用旋转超声振动套孔加工方法对其进行磨削制孔的理论和试验研究。分析了旋转超声振动套孔加工中单颗磨粒的运动学特性,基于Hashin失效准则,对GFRP复合材料最具代表性的0°和90°角度铺层玻璃纤维进行磨削常规和旋转超声振动套孔加工有限元仿真研究。相较于常规加工,超声振动加工使磨粒具有周期性动态冲击磨削效果,改变了材料的去除方式,降低了磨削力,结果表明:超声振动加工的轴向力最大降幅可达20.1%,同时有效抑制了出口分层缺陷,孔壁表面的纤维断口光滑平整,制孔质量得到有效改善。

关键词：旋转超声加工金刚石套料钻有限元分析 GFRP 制孔质量

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工程陶瓷及其复合构件加工试验研究

工程陶瓷及其复合构件加工试验研究

作者：贺永明南京理工大学

学位级别：硕士

工程陶瓷及其复合构件以其优异的防护性能、较轻的质量被广泛应用于坦克装甲车辆以及其它军用车辆的车体、炮塔中。复合构件成型后,根据装配的要求,需要对其进行二次加工,特别是需要进行大量的钻孔、铣槽加工。论文对工程陶瓷及复合构... 详细信息

工程陶瓷及其复合构件以其优异的防护性能、较轻的质量被广泛应用于坦克装甲车辆以及其它军用车辆的车体、炮塔中。复合构件成型后,根据装配的要求,需要对其进行二次加工,特别是需要进行大量的钻孔、铣槽加工。论文对工程陶瓷及复合构件的钻孔、铣槽等加工技术进行系统深入的分析研究,为其在我国特种车辆上的推广应用提供技术支撑。基于工程陶瓷及纤维增强复合材料的性能特点,选用金刚石套料钻来对其进行钻孔加工。分别对烧结、电镀及钎焊金刚石工具的制作工艺进行对比分析,并对金刚石套料钻的结构、主要性能参数进行了分析和确定:结合工程陶瓷及纤维增强复合材料的物理机械特性,通过SEM观察,分析研究了工程陶瓷及复合材料的加工机理和材料的去除方式。以加工效率为主要考核指标,采用钎焊金刚石套料钻,通过正交试验,分析了各因素对其加工效率的影响规律,并对其参数进行了优化,得到了较佳的因素水平搭配,同时还对钎焊、烧结金刚石套料钻做了寿命对比试验。本文还采用三种不同制作工艺的金刚石套料钻对SiC工程陶瓷进行了钻孔加工,为进一步解决SiC工程陶瓷的孔加工问题提供了试验依据。根据钻、铣的特殊要求,使用烧结金刚石套料钻、钎焊磨棒及研制的专用钎焊金刚石铣刀来对工程陶瓷及复合材料进行了铣削加工试验研究,结果表明,钎焊金刚石铣刀较适合与该类材料的铣削加工。同时也为铣削加工SiC工程陶瓷奠定了基础。

关键词：工程陶瓷复合材料金刚石套料钻孔加工技术铣削加工

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GFRP旋转超声孔加工仿真及工艺研究

GFRP旋转超声孔加工仿真及工艺研究

作者：朱卓志盐城工学院

学位级别：硕士

玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)具有比强度高和比模量大等特点,广泛应用于航空航天、船舶军工和汽车制造等领域。GFRP在工程应用时,常需要根据工件的装配要求进行二次孔加工。由于材料的力学性能呈... 详细信息

玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)具有比强度高和比模量大等特点,广泛应用于航空航天、船舶军工和汽车制造等领域。GFRP在工程应用时,常需要根据工件的装配要求进行二次孔加工。由于材料的力学性能呈各向异性且层间连接强度差,制孔时容易出现毛刺、撕裂和分层等加工缺陷,严重影响工件的使用寿命。为提高制孔质量,采用旋转超声加工技术对GFRP进行套磨制孔理论和试验研究。主要的研究内容如下:(1)分析GFRP的材料力学特性和常见制孔损伤成因,制作新型薄壁金刚石套料钻并对其磨削性能进行试验研究。相较于常规麻花钻孔加工,新型套料钻磨削制孔方式可以大幅度降低钻削轴向力,有效减小孔出口处分层和撕裂损伤,使出口处分层比降低9.6%,制孔质量得到提升。新型套料钻磨损状况分析表明,钻头的自锐性好,加工性能稳定,使用寿命长,可满足GFRP孔加工需求。(2)基于Hashin损伤失效准则建立GFRP的有限元仿真模型,通过ABAQUS仿真软件对其套料钻孔加工过程仿真研究。对比相同参数下试验的钻削轴向力时程曲线图和仿真的轴向力变化趋势图,两者具有一致性,仿真结果可靠。仿真结果表明:轴向超声振动的引入可以抑制套料钻孔加工过程中撕裂和毛刺损伤产生,保持孔径边缘完整度,改善制孔质量。(3)分析旋转超声加工的运动学特性,建立钻削力数学模型,开展GFRP旋转超声孔加工试验研究并分析其工艺效果。试验结果表明,主轴转速提高或进给速度降低,钻削轴向力、孔壁表面粗糙度和出口分层损伤均呈现下降趋势。相对于常规加工,旋转超声孔加工技术能够有效降低钻削轴向力,降低幅度为20.1%,有效减少出口分层,分层比降低7.3%。同时,加工后工件的表面微观形貌表明,超声振动的引入能促使纤维断裂和树脂破碎,减少树脂的粘接涂覆现象,使纤维断口整洁平滑,制孔质量得到进一步提升。通过以上研究,分析旋转超声的运动学特性和材料去除机理,揭示了加工参数变化对的钻削轴向力和套磨制孔质量的影响规律,实现了GFRP的高质量孔加工,为纤维增强树脂基类复合材料的孔加工难题提供了理论和技术支持,具有重要的工程应用价值。

关键词： GFRP 金刚石套料钻旋转超声有限元仿真制孔质量

旋转超声钻削碳纤维复合材料钻削力和扭矩的研究

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航空制造技术 2017年第16期60卷 96-102页

作者：袁松梅宋衡路宜霖北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191 北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心北京100191

针对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工过程中的问题,对金刚石套料钻旋转超声钻削CFRP-T700型复合材料展开了研究。研究发现,钻削力随主轴转速的增加具有减小的趋势,而扭矩则随着主轴转速的增加,呈现增大的趋势;与传统加工相比,旋转... 详细信息

针对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工过程中的问题,对金刚石套料钻旋转超声钻削CFRP-T700型复合材料展开了研究。研究发现,钻削力随主轴转速的增加具有减小的趋势,而扭矩则随着主轴转速的增加,呈现增大的趋势;与传统加工相比,旋转超声振动钻削可降低切削力及扭矩达56.6%和39.1%,有效抑制加工缺陷的产生。初步建立了切削力和扭矩之间的数学模型,并通过试验对切削力和扭矩之间的比例常数k加以验证。研究结果表明,旋转超声钻削CFRP在降低切削力和扭矩方面有较大优势。

关键词：碳纤维增强树脂基复合材料超声振动钻削金刚石套料钻钻削力扭矩加工参数