碳纤维复合材料与叠层结构切削加工理论及应用技术

　　本书介绍了碳纤维复合材料可加工性及国内外研究进展，从系统的角度，遵循基础理论研究、工艺技术研究、典型结构应用的技术路线，阐述了碳纤维复合材料与叠层结构切削加工和传统的金属切削加工的差异性，并指出由此而带来的相关切削机理、物理建模与仿真、加工缺陷检测、质量标准与评价、切削工艺优化和先进刀具技术等方面的挑战，提供了大量基础性工艺数据和工艺技术规范。全书共分为六章，第1章是绪论，第2章是复合材料叠层结构切削有限元仿真研究，第3章是碳纤维增强复合材料切削加工机理，第4章是碳纤维复合材料/合金叠层结构钻削加工试验研究，第5章是碳纤维复合材料切削加工表面质量评价，第6章是碳纤维复合材料切削加工工艺及应用。

　　主要作者陈明，上海交通大学特聘教授，博士生导师，制造技术与装备自动化研究所所长。 研究工作涉及高速切削、高效磨削、先进刀具、超硬砂轮、制造系统、金刚石涂层、微纳米加工、多轴联动数控加工等方面。研究成果应用于航空、航天、汽车、汽轮机和发动机等重大装备制造领域。主持完成国家科技重大专项、国家自然科学基金项目和企业合作项目等100余项；研究成果先后获国家科技进步二等奖（排1）和中国机械工业科学技术奖一等奖（排1）；授权国家发明专利30余项；培养博士和硕士100余名，其中上海市优秀博士/硕士学位论文获得者2人；在《机械工程学报》、《Transactions of ASME》、《Diamond & Related Materials》等国内外期刊上发表学术论文SCI/EI论文300多篇；多项学术兼职如：国际磨料技术委员会（ICAT- International Committee for Abrasive Technology）委员，中国刀协切削先进技术研究会副理事长兼秘书长等。

第1章绪论1

1.1复合材料的定义1

1.2碳纤维复合材料的组成、性质及应用2

1.3碳纤维复合材料可加工性及国内外研究进展6

1.3.1碳纤维复合材料的可加工性7

1.3.2碳纤维复合材料切削力行为8

1.3.3碳纤维复合材料切削热行为9

1.3.4碳纤维复合材料切削表面质量10

1.3.5碳纤维复合材料切削刀具磨损11

1.3.6碳纤维复合材料切削刀具15

1.3.7复合材料特种加工方法17

1.4碳纤维复合材料切削加工的挑战19

参考文献20

第2章复合材料叠层结构切削有限元仿真研究24

2.1引言24

2.2复合材料叠层结构的物理特性和基本构型25

2.2.1钛合金层26

2.2.2碳纤维复合材料层27

2.3复合材料模型的几何特征与边界条件29

2.3.1叠层结构切削仿真基本假设29

2.3.2基于界面切削和界面损伤形成机制研究的CFRP/Ti有限元

模型30

2.3.3基于切削顺序和切削参数影响研究的CFRP/Ti有限元模型31

2.3.4运动方程： Abaqus/Explicit方案32

2.4材料本构关系和渐进损伤准则33

2.4.1钛合金本构模型33

2.4.2碳纤维复合材料本构模型36

2.4.3界面本构模型39

2.5叠层结构正交切削模型实验验证42

2.6叠层界面切削机理研究43

2.6.1碳纤维复合材料/钛合金叠层结构正交切削过程研究43

2.6.2叠层界面切削损伤形成机理45

2.6.3叠层结构次表层损伤研究50

2.7切削顺序对叠层结构加工性的影响52

2.7.1切削顺序对叠层结构切屑形成过程的影响53

2.7.2切削顺序对叠层结构已加工表面形貌的影响56

2.7.3切削顺序对叠层结构次表层损伤的影响57

2.8纤维铺层方向对叠层结构可加工性的影响59

2.8.1纤维铺层方向对叠层结构切屑去除过程的影响59

2.8.2纤维铺层方向对叠层结构已加工表面质量的影响61

2.9本章小结64

参考文献64

第3章碳纤维复合材料切削加工机理68

3.1引言68

3.2碳纤维预浸布料单点飞切试验69

3.2.1试验材料和刀具69

3.2.2试验条件70

3.2.3不同纤维方向的切断力变化规律71

3.2.4不同纤维方向的切削断口变化规律74

3.3基于全纤维切削角的碳纤维复合材料圆盘切削试验82

3.3.1试验材料和刀具83

3.3.2试验条件与测试方案84

3.3.3切削加工表面形貌及表面损伤特征评价87

3.3.4碳纤维复合材料细观层面材料断裂与典型切削表面形成机理91

3.3.5切削力特征及其与加工缺陷之间的内在联系95

3.3.6碳纤维复合材料钻削过程材料断裂及缺陷形成机理101

3.4本章小结104

参考文献105

第4章碳纤维复合材料/合金叠层结构钻削加工试验研究107

4.1引言107

4.2叠层结构正交切削机理108

4.2.1叠层结构切屑去除过程108

4.2.2切削力与切削比能113

4.2.3碳纤维复合材料/钛合金叠层结构切屑形态分析114

4.2.4碳纤维复合材料已加工表面回弹现象118

4.2.5叠层结构已加工表面质量120

4.3叠层结构钻削过程及力热行为123

4.3.1钻削力变化规律125

4.3.2钻削温度变化规律128

4.4叠层界面切削及损伤演化机理131

4.4.1钛合金切屑形态及成屑规律131

4.4.2叠层界面损伤演化机理133

4.4.3碳纤维复合材料孔壁损伤演化机理134

4.5碳纤维复合材料/钛合金叠层结构制孔精度分析134

4.5.1钻削参数对制孔精度的影响134

4.5.2叠层顺序对孔精度的影响137

4.5.3碳纤维复合材料层孔出口分层137

4.6基于成屑规律的钻削损伤抑制策略140

4.6.1基于切点轨迹时空有序分布的切屑尺寸主动控制140

4.6.2啄钻力热行为142

4.6.3碳纤维复合材料层孔壁损伤与制孔精度分析144

4.7本章小结147

参考文献148

第5章碳纤维复合材料切削加工表面质量评价149

5.1引言149

5.2碳纤维复合材料制孔缺陷评价方法149

5.2.1各类制孔缺陷评价方法150

5.2.2制孔缺陷综合评价方法151

5.3碳纤维复合材料单向层合板的表面粗糙度评价152

5.3.1常用表面粗糙度评价方法152

5.3.2碳纤维复合材料单向层合板粗糙度轮廓特征及其评价方法153

5.4碳纤维复合材料单向层合板的制孔缺陷及其形成机理155

5.4.1分层156

5.4.2撕裂158

5.4.3毛刺160

5.4.4碳纤维复合材料单向层合板制孔缺陷总结162

5.5碳纤维复合材料单向层合板分层缺陷的三维体积评价方法163

5.5.1分层缺陷的检测方法163

5.5.2碳纤维复合材料单向层合板分层缺陷的SAM定征试验165

5.5.3三维体积分层因子评价方法169

5.6基于声发射信号的碳纤维复合材料切削缺陷主动控制172

5.6.1声发射信号定征试验174

5.6.2基于声发射信号的碳纤维复合材料切削缺陷预测建模181

5.7碳纤维复合材料承载性能及其对制孔损伤敏感性分析182

5.7.1碳纤维复合材料力学性能测试183

5.7.2碳纤维复合材料静拉伸力学性能及其对制孔损伤敏感性分析186

5.7.3碳纤维复合材料拉伸疲劳性能及其对制孔损伤敏感性分析189

5.8本章小结192

参考文献193

第6章碳纤维复合材料切削加工工艺及应用194

6.1引言194

6.2复合材料加工刀具194

6.2.1刀具材料194

6.2.2复合材料加工钻头196

6.2.3复合材料铣刀198

6.3碳纤维复合材料大孔径加工工艺优化199

6.3.1试验方案规划199

6.3.2大孔径制孔过程分析和工序优化201

6.3.3大孔径制孔刀具稳定性分析207

6.4碳纤维复合材料异形孔数控加工工艺216

6.4.1试验方案规划217

6.4.2加工效果对比218

6.5复合材料/合金叠层结构钻削工艺验证试验平台制备与应用220

6.5.1低频振动钻削工艺原理及装置220

6.5.2复合材料/合金叠层结构自动钻削装备试验平台制备222

6.5.3复合材料/合金叠层结构自动钻削装备试验平台测试230

6.5.4低频振动钻削工艺与普通钻削工艺对比分析233

6.6本章小结239

参考文献240