1、本科毕业设计论文 I 摘要 近几十年来 ， 复合材料在航天 、 航空 、 汽车 、 造船 、 化工及土建 等 方面得到日益广泛的应用 。 其中， C/C 复合材料凭借其比强度高，比模量 高 ，高温性能好，抗疲劳性能好等优点， 在一定程度上 满足了现今高性能航空航天器对材料性能的苛刻要求， 因而 广泛应用于新概念飞机、火箭、卫星 等航空航天领域。 本论文 针对 C/C 复合材料加工中存在的问题 ， 主要进行了以下几个方面的研究： （ 1） 构建了 C/C 复合材料钻削加工切削力检测系统及钻削加工 实验 装置，对 C/C 复合材料钻削时的钻削力进行了 实验 研究，探讨了 钻 削参数变化对钻削力的影
2、响， 为 C/C 复合材料钻削 加工时 钻 削参数 的优选 提供了 一定的 参考。 （ 2） C/C 复合材料 孔出口缺陷 主要 包括撕裂和毛边两部分，本文对两者的典型形式进行了模型总结，认为撕裂的形成过程包括横刃作用和主切削刃作用两个 阶段 ，并根据照相机和显微镜拍摄的图片 探讨了钻削参数变化对撕裂大小的影响。 （ 3） 超声振动钻削是振动切削的一个分支，与普通钻削相比具有较好的加工工艺效果 ， 它能全面提高孔的加工质量，是现代钻削技术的一个重要的发展方向。文章评述了提高孔的加工质量的必要性，超声振动钻削技术的概念、基本原理及其特点，介绍了国内外的研究现状，指出该项技术存在的问题，并对其今后
3、的研究方向作了展望。 关键词 ： C/C 复合材料；孔加工缺陷； 超声振动钻削 本科毕业设计论文 II ABSTRACT In recent decades,composite materials are increasingly in demand for various industries,such as aerospace， vehicle， shipbuilding,chemical,civil and et al. Which, by virtue of its advantages of high specific strength,specific modulus,high t
4、emperature performance and good fatigue performance,C/C composites meet the demanding requirements of todays high-performance aerospace material properties,are widely used in the new e design and manufacture of aircraft,rockets,satellites and other aerospace. In view of the problem above,this paper
5、is mainly conducted to study several things as followings： (1)The force-measure experiment and test setting system for drilling C/C composites were built,the thesis studied the cutting forces of C/C composites during drilling,discussed the effects of cutting parameters on drilling forces. Which can
6、provide a better reference for the selection of optimal cutting parameters when drilling C/C composites. (2)Tearing and fuzzing are defects of C/C composites hole at exit. The thesis summarized their typical feature. The formation process of the defects consists of two phases of chisel edge action a
7、nd major edge action. And according to the pictures taken from camera and electronic microscope,we discussed drilling parameters on the effect of tear size. (3)Ultrasonic vibration drilling technology is a branch of the vibratory cutting, Compared to ordinary drilling,it has better processing result
8、s. It can improve the processing quality of the hole. It is considered one of the most important trends of modern drilling technology. In this paper,the necessity of the improvement of the processing quality is summarized. Moreover,the concept basic principle and characteristics of ultrasonic vibrat
9、ion drilling technology are summarized,the domestic and foreign research situation are introduced. Moreover,the existing problems are also pointed out, and the future research direction is prospected. Key Words： carbon/carbon composite； machining defects of the hole； ultrasonic rilling 本科毕业设计论文 III
10、目录 摘要 .I ABSTRACT . II 目录 . III 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 C/C 复合材料的应用与发展 . 1 1.2.1 C/C 复合材料的特点 . 1 1.2.2 C/C 复合材料的应用 . 2 1.3 C/C 复合材料 制孔技术研究现状 . 4 1.3.1 钻削 C/C 复合材料存在的问题 . 4 1.3.2 关于复合材料加工的国内外研究现状 . 5 1.4 超声振动钻削国内外研究现状 . 6 1.4.1 国外研究现状 . 6 1.4.2 国内研究现状 . 7 1.4.3 当前存在的问题 . 8 1.4.4 结语 . 9 1.5 本文研究的意义
11、. 9 1.5.1 选题意义 . 9 1.5.2 论文的主要工作 . 10 第二章 超声振动钻削基本原理 . 11 2.1 概述 . 11 2.2 超声振动钻削的工作原理 . 11 2.2.1 超声波发生器 . 11 2.2.2 超声换能器 . 13 2.2.3 超声变幅杆 . 13 2.2.4 工具系统 . 14 2.3 振动钻削的分类 . 14 2.4 超声振动钻削的特点 . 15 第三章 实验方案的设计及实验过程 . 16 本科毕业设计论文 IV 3.1 实验准备 . 16 3.1.1 钻削刀具 . 16 3.1.2 实验材料 . 16 3.1.3 实验设备 . 17 3.2 实验参数选
12、取 . 21 3.2.1 钻削用量及选用原则 . 21 3.2.2 拟定实验参 数 . 22 第四章 实验结果分析 . 23 4.1 钻削力的实验结果与分析 . 23 4.1.1 普通钻削的钻削力实验分析 . 24 4.1.2 超声振动钻削的钻削力实验分析 . 28 4.2 孔出入口加工缺陷分析 . 29 4.2.1 撕裂、毛刺和分层产生的原因分析 . 31 4.2.2 撕裂、毛刺和分层的影响因素及改善措施 . 33 4.4.3 超声振动钻削的加工工艺效果 . 34 4.3 本章小结 . 35 第五章 结论与展望 . 36 5.1 结论 . 36 5.2 研究展望 . 37 参考文献 . 38
13、 致谢 . 41 毕业设计小结 . 42 本科毕业设计论文 1 第一章 绪论 1.1 引言 C/C 复合材料 （ C/C Composite materials） 是一种新型高性能结构、功能复合材料，具有高强度、高模量、高断裂韧性、隔热优异和低密度等优异特性，在机械、电子、化工、冶金和核能等领域中得到广泛应用，并且在航天、航空和国防领域中的关键部件上大量应用。我国对 C/C 复合材料的研究和开发主要集中在航天、航空等高技术领域，较少涉足民用高性能、低成本 C/C 复合材料的研究。目前整体研究还停留在对材料宏观性能的追求上，对材料组织结构和性能可控性、可调性等基础研究还相当薄弱，难以满足国民经济
14、发展对高性能 C/C 复合材料的需求。因此，开展 高性能 C/C 复合材料的基础研究具有重大的科学意义和社会、经济效益。 1.2 C/C 复合材料的应用与发展 C/C 复合材料是指以炭纤维或其织物为增强相，以化学气相渗透的热解炭或液相浸渍炭化的树脂炭、沥青炭为基体组成的一种纯炭多相结构。它源于 1958年，美国 Chance Vought 公司由于实验室事故，在炭纤维树脂基复合材料固化时超过温度，树脂炭化形成 C/C 复合材料。 C/C 复合材料在高温热处理之后碳元素质量分数高于 99%，故该材料具有密度低，耐高温，抗腐蚀，耐热冲击性能好，耐酸、碱、盐，耐摩擦磨损等一系列优 异性能。此外， C
15、/C 复合材料对热应力不敏感，抗烧蚀性能好。故该复合材料具有出色的机械特性，既可作为结构材料，又可作为功能材料使用，适于各种高温用途。 C/C 复合材料在树脂基复合材料、金属基复合材料、 C/C 复合材料以及陶瓷基复合材料等 4 大类复合材料中的研究与应用水平仅次于树脂基复合材料，已经全面走向工程应用阶段。 1.2.1 C/C 复合材料的特点 C/C 复合材料是新材料领域中重点研究和开发的一种新型超高温材料，它具有以下显著特点： （ 1） 密度小 （ 2.0 g/cm ） ，仅为镍基高温合金的 1/4，陶瓷材料的 1/2，这一点对许多结构或装备要求轻型化至关重要。 （ 2） 高温力学性能极佳。
16、温度升高至 2200 ，其强度不仅不降低，甚至比在室温时还高，这是其他结构材料所无法比拟的。 本科毕业设计论文 2 （ 3） 抗烧蚀性能良好，烧蚀均匀，可以用于 3000 以上高温短时间烧蚀的环境中，如火箭发动机喷管、喉衬等。 （ 4） 摩擦磨损性能优异，其摩擦系数小，性能稳定，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。 （ 5） 具有其他复合材料的特征，如 比 强度 高、比 模量 大 、高疲劳度和蠕变性能等 。 各类二维编织 C/C 板材的性能数据如表 1-1 所示 。 表 1-1 各类二维编织 C/C 板材的性能数据 性能 单位 SGL-1001G 技术指标 SGL-1001G 自测值 Schu
17、nk-C F226 东洋 炭素 新日本 炭素 Chaoma 1 Chaoma 2 增强方式 炭布 12K斜纹炭布 炭布 炭布 炭布 炭布 炭布 密度 g/cm3 1.38-1.48 1.38 1.50 1.60 1.60 1.60 1.45 开孔率 % 18-25 10.2 8 3.5 10 电阻率 m 29-34 25 17 22 22 28 抗拉强度 MPa 55-65 190 60 260 93 压缩强度 MPa 95 270 90 334 220 弯曲强度 / MPa 110-130 70 120 170 160 194 84 弯曲模量 GPa 28-33 22 60 65 42 22
18、 层剪强度 MPa 11-15 6 8 8 6 20 10 最高使用温度 2000 2000 2200 2000 2000 1.2.2 C/C 复合材料 的应用 根据 C/C 复合材料 所具有的优异性能， C/C 复合材料被 广泛应用于国民经济的各个领域 : （ 1） 刹车领域的应用 C/C 复合材料刹车盘的实验性研究于上世纪 1973 年第一次用于飞机刹车。目前，一半以上的 C/C 复合材料用做飞机刹车装置。高性能刹车材料要求高比热容、高熔点以及高温下的强度， C/C 复合材料正好 满足了 这一要求，制作的飞机刹车盘重量轻、耐高温、比热容比钢高 2.5 倍，同金属刹车相比，可节省 40%的结
19、构重量。碳刹车盘的使用寿命是金属的 5-7 倍，刹车力矩平稳，刹车时噪音小，因此碳刹车盘的问世被认为是刹车材料 发展史上的一次重大的技术进步。目前法国欧洲动力等公司已经批量生产 C/C 复合材料刹车片，英国邓禄普公司也已大量生产 C/C 复合材料刹车片，用于赛车、火车和战斗机的刹车材料。 本科毕业设计论文 3 （ 2） 先进飞行器上的应用 导弹、载人飞船、航天飞机等 ， 在再入环境时飞行器头部受到强激波， 对头部产生很大的压力，其最苛刻部位温度可达 2760 ， 所以必须选择能够承受再入环境苛刻条件的材料。设计合理的鼻锥外形和选材，能使实际流入飞行器的能量仅为整个热量 1% 10%左右。对导弹
20、的端头帽 ， 也要求防热材料在再入环境中烧蚀量低，且烧蚀均匀对称 ， 同时希望它具有吸波能力、抗核爆辐射性能和全天候使用的性能。三维编织的 C/ C 复合材料，其石墨化后的热导性足以满足弹头再入时由 160 至气动加热至 1700 时的热冲击要求，可以预防弹头鼻锥的热应力过大引起的整体破坏 ； 其低密度可提高导弹弹头射程，已在很多战略导弹弹头上得到应用。除了导弹的再入鼻锥， C/C 复合材料还可作热防护材料用于航天飞机。 （ 3） 固体火箭发动机喷管上的应用 C/C 复合材料自上世纪 70 年代首次作为固体火箭发动机 （ SRM） 喉衬飞行成功以来，极大地推动了 SRM 喷管材料的发展。采用
21、C/C 复合材料的喉衬、扩张段、延伸出口锥，具有极低的烧蚀率和良好的烧蚀轮廓，可提高喷管效率 1 %3%， 即可大大提高了 SRM 的比冲。喉衬部一般采用多维编织的高密度沥青基C/C 复合材料，增强体多为整体针刺碳毡、多向编织等 ， 并在表面涂覆 SiC 以提高抗氧化性和抗冲蚀能力。美国在此方面的应用有： “民兵 2 ” 导弹发动机第三级的喷管喉衬材料； “北极星 ”A27 发动机喷管的收敛段； MX 导弹第三级发动机的可延伸出口锥 （ 三维编织薄壁 C/C 复合材料制品 ） 。俄罗斯用在潜地导弹发动机的喷管延伸锥 （ 三维编织薄壁 C/C 复合材料制品 ） 。 （ 4） C/C 复合材料用作
22、高温结构材料 由于 C/C 复合材料的高温力学性能，使之有可能成为工作温度达 1500 1700的航空发动机的理想材料 ， 有着潜在的发展前景。 （ 5） 涡轮发动机 C/C 复合材料在涡轮机及燃气系统 （ 已成功地用于燃烧室、导管、阀门 ） 中的静止件和转动件方面有着潜在的应用前景 ， 例如用于叶片和活塞，可明显减轻重量 ， 提高燃烧室的温度 ， 大幅度提高热效率。 （ 6） 内燃发动机 C/C 复合材料因其密度低、优异的摩擦性能、热膨胀率低，从而有利于控制活塞与汽缸之间的空隙，目前正在研究开发用其制活塞。 随着科技的不断发展， C/C 复合材料的应用正在由航天航空领域转向普通航空和其他一般
23、工业领域，广泛取代其他材料，尤其在汽车领域，发挥着它不可替代的作用。 C/C 复合材料的发展方向正在由双元复合向多元复合发展，今后将以结构 C/C 复合材料为主，向功能和多功能方向发展。 本科毕业设计论文 4 1.3 C/C 复合材料 制孔技术 研究现状 复合材料几乎是净成型，但在应用过程中仍要对其进行二次加工，如在复合材料板上加工用于连接的各种通孔、盲孔、打铆钉，在舱段上开窗口，打磨法兰端面等 。 钻削加工 则 是目前 C/C 复合材料经济、高效制孔经常采用的方法。 与均匀的金属材料相比， C/C 复合材料存在着非均匀性，而增强体和基体材料的导热性、热膨胀系数存在着明显的差异，因此材料的切削
24、除了受到增强体和基体材料特性的影响外，还受到增强体取向分布影响，切削过程复杂，破坏形式也与金属有区别，给加工机理的研究带来很大困难。大多数的研究工作都是围绕加工工艺及刀具优化进行的，而 对钻削机理方面的研究较少。 1.3.1 钻削 C/C 复合材料存在的问题 （一） C/C 复合材料孔的加工缺陷 碳纤维复合材料的孔壁表面微观形态和出入口加工缺陷是孔加工质量的重要特征之一 。 碳纤维与基体材料间的性质差异相差较大，在外力下发生破损的机理不一样，因而碳纤维复合材料加工表面比较粗糙，难以形成在金属切削情况下产生的良好加工表面。 碳纤维复合材料钻孔加工时，由于碳纤维与 基体 两种材料性能的巨大差异，以
25、及层铺结构，导致孔入口、出口处形成各种各样的缺陷，主要的缺陷有以下几种形式 : （ 1） 撕裂和毛刺 。 孔的入口、出口缺陷主要包括撕裂和毛刺两种，是孔加工中常见、最直观的缺陷之一。出口毛刺是 由于 纤维未能沿孔边缘切断而产生 的毛边。撕裂缺陷 则 是材料表层大面积与基体分离而形成，相对毛刺缺陷而言对材料性能的影响较大，尤其在装配时，可能因受力不均引起连接处应力集中，降低材料的使用性能。 撕裂和毛刺均发生在孔的入口、出口侧最表面的一层，且撕裂沿孔入口、出口侧最外层纤维方向伸展。一般情况下孔的出口缺陷远远大于入口缺陷，是缺陷集中的地方。是孔形状尺寸误差现象，主要是由于复合材料各向异性，导致切削时
26、孔四周受力不均，形成尺寸误差 。 （ 2） 分层 。 分层是指由层间应力或制造缺陷等引起的复合材料铺层之间的脱胶分离破坏现象。在碳纤维复合材料钻孔过程中，孔壁周围材料出现层间分离破坏是钻削加工 的 主要缺陷之一，分层会降低材料的性能和零件加工质量，即使是微小的分层也是非常严重 的安全隐患，甚至使零件报废，影响产品的成品率。由于分层大多出现在出口侧附近，表面难以观察，所以超声波探伤是检测分层缺陷的常用方法 。 （二） C/C 复合材料钻孔的其他问题 本科毕业设计论文 5 （ 1） 刀具磨损严重，耐用度低。切削区的温度高且集中于刀具切削刃附近很窄的区域内，加之 C/C 复合材料 的硬度非 常高，故
27、刀具后刀面产生磨损严重，耐用度低，影响产品的形状、尺寸精度及加工表面质量。另外，刀具磨损严重和耐用度低也会导致产品加工成本的上升。 （ 2） 加工表面的尺寸精度和表面粗糙度不易达到要求，容易产生残余应力。这主要是因为复合材料呈现各向异性，切削时切削力大，并产生大量的切削热。钻孔时尤为严重，加工精度和表面质量难以保证。 （ 3） 加工效率低。 C/C 复合材料属于典型的难加工材料，材料强度大、硬度高、各向异性，切削力大，切削温度高，导致刀具磨损加剧，难易提高加工效率。 （ 4） 切屑为黑色粉尘，容易污染环境，危害人的 健康；另外切屑的导电性易使电器设备和电网短路。 1.3.2 关于复合材料加工的
28、国内外研究现状 1.3.2.1 钻孔、切削机理研究现状 国外从事复合材料研究工作的主要集中于美国、日本、欧盟等几个国家。 世界上几大知名飞机制造 厂商，如美国的波音公司、欧洲的空中客车公司也在进行复合材料加工 方面的研究工作，但是他们的工作更多地限于实用水平。 Kpolve 等人 1于 1983 年基于快速落刀法的实验，提出了碳纤维复合材料切屑形成是材料断裂过程的观点，并指出切削表面质量与增强纤维的取向有关 。Ogawa 等 2指出进给速度是影响孔壁表面粗糙度的重要因素，进给速度增加会导致轴向力增大，进而引起孔壁表面完整性变差。 Lin 和 Chen3指出高速钻削纤维增强复合材料时，增加切削速
29、度刀具磨损加快，钻削中的轴向力增大，进而减弱了加工件的质量。 Piquet 等 4指出增加切削刃的数量、减小刀具与材料之间的接触长度能够减小分层的发生。 Chen5研究了高速钻削 CF 卿时尖角 、 螺旋角、横刃的角度对轴向力的影响，结果表明增加尖角轴向力增大，扭矩减小 ； 当螺旋角和横刃的角度增加时轴向力和扭矩的值都会增大。在使用 PCD 钻头加工纤维增强复 合材料时能够获得较好的加工质量 6。 Hocheng等人 7在 C/PEEK、 C/ABS和 C/C 复合材料磨削 实验 的基础上 ， 提出预测复合材料切削力的机械学模型 ，分析了纤维方向对切边、表面粗糙度和切削力的影响 ， 并推荐了纤
30、维的磨削方向。 北航的张厚江等人 8-9， 应用硬质合金刀具钻削 CFRP 时分析了钻削过程中横刃与主切削刃的作用阶段 ， 并分析各个阶段对撕裂缺陷形成过程产生的影响 ，为碳纤维复合材料切削机理的研究提供了理论参考 。 胡宝钢等 10对 CFRP 的切削等工艺做了研究 ， 并给出较为合理的切削用量参数和刀具几何参数等 。 张万君等 11讨 论了 CFRP 钻孔加工时工艺参数的选择 、 刀具的设计及其使用等 。 陈鼎昌 12-13等人，建立单向碳纤维复合材料钻削过程中的钻削力理论模型，分析了本科毕业设计论文 6 纤 维角 与切削力之间的关系，提出了碳纤维复合材料加工过程中 撕裂和分层 产生的原理
31、，并提出了解决的办法，为碳纤维复合材料切削机理的研究提供了理论参考。 1.3.2.2 复合材料加工表面质量表征方法研究现状 复合材料构件的表面质量是影响构件的性能、成品率和可靠性的重要因素。因此研究开发复合材料表面质量的检测与评价技术对保证复合材料构件产品的质量，提高产品的可靠性具有重要意义。复合材料零件机械加工表面具有不同于金属零件机械加工表面的特性，简单地沿用金属材料机械加工表面质量检测与评价技术存在许多问题。 近年来国内外学者针对复合材料表面质量的检测与评价难题，开展了一些研究工作，如大连理工大学赵福令等人研究了基于 TalyScan150 型表面粗糙度测试仪的复合材料表面粗糙度检测评价
32、方法 14。华南理工大学金燕明等人探讨 了纤维增强复合材料的切削加工表面结构和粗糙度与切削方向的关系 15。李志强等人利用扫描电子显微镜研究了碳纤维复合材料孔壁表面的特性 16。张厚江等人采用声学显微镜、氯化金渗透法研究了碳纤维复合材料钻削孔分层缺陷的检测方法 17-19。 Tagliaferi 等人通过切削区域利用液体在材料内部深透的方法，利用光学显微镜确定孔边缺陷区域的面积 20。 Chen 利用 x 射线非接触式测量方法测量钻孔分层区域的面积，并采用分层因子作为评价分层缺陷的指标，分层因子定义为分层缺陷区域的最大直径与孔的理论直径的比值 21。 N.S.Mohan 等人利用分层因子作为评
33、价指标，从切削速度、进给速度、钻头直径和试件厚度四个方面进行 实验 研究，探讨对分层缺陷的影响规律，结果表明试件厚道和进给速度对分层缺陷有重要的影响 22。超声波检测由于操作简单，不破坏工件的结构和强度，常常被用于复合材料分层缺陷的检测。 目前国内外还没有形成较完善、实用的复合材料表面质量的检测与评价技术，在复合材料的设计、加工和使用过程中仍沿用传统的金属材料表面质量的检测评价方法，尤其是在碳纤维复合材料钻孔时产生的毛刺和撕裂缺陷，其表征方法至今仍未有相关文献报道，复 合材料加工及其表面质量评价方法值得进行深入的研究探讨。 1.4 超声振动钻削国内外研究现状 超声振动切削作为一种先进的特种加工方法 ， 它具有降低切削力和切削热效应 ， 能够大幅度降低表面粗糙度 ， 提高加工精度和延长刀具寿命的特性。对于难加工材料 ， 它的精密加工质量获得了广泛认可。 1.4.1 国外研究现状 自 1954 年日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授提出振动钻削理论以来 ， 各
