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碳纤维增强树脂基复合材料切削加工理论与技术(精)/材料先进成型与加工技术丛书

碳纤维增强树脂基复合材料切削加工理论与技术(精)/材料先进成型与加工技术丛书

出版社:科学出版社出版时间:2022-06-01
开本: 16开 页数: 226
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碳纤维增强树脂基复合材料切削加工理论与技术(精)/材料先进成型与加工技术丛书 版权信息

碳纤维增强树脂基复合材料切削加工理论与技术(精)/材料先进成型与加工技术丛书 内容简介

本书为“材料优选成型与加工技术丛书”之一。轻质、高强的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是高端装备减重增效的优选材料,但其切削加工易产生分层等损伤,影响服役性能。阐明CFRP的切削机理、实现其构件的高质高效加工,已成为学术与工程界急需解决的瓶颈问题。 本书详述了CFRP切削机理和加工损伤形成机制,并由此提出适用于CFRP加工的新方法,旨在为根本解决CFRP构件高质高效加工难题提供基础理论和技术指导,还可为其他类复合材料的低损伤高效加工提供借鉴。 本书可作为普通高等学校机械类相关专业学生和教师的课程参考书,也可用作研究机构和企业中相关工作人员的技术参考书。

碳纤维增强树脂基复合材料切削加工理论与技术(精)/材料先进成型与加工技术丛书 目录

目录 
总序 
前言 
第1章 碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)概述 1 
1.1 引言 1 
1.2 CFRP的发展历程 3 
1.3 CFRP的工程应用 5 
1.3.1 航空航天领域 5 
1.3.2 海洋工程领域 7 
1.3.3 陆地交通运输领域 8 
1.3.4 能源及其他领域 8 
1.4 CFRP的成型 9 
1.4.1 CFRP的成型原料 10 
1.4.2 CFRP的成型方法 11 
1.5 CFRP的加工 13 
1.5.1 CFRP的加工要求 14 
1.5.2 CFRP的加工方法 15 
1.5.3 CFRP切削加工的挑战 17 
1.6 本章小结 22 
参考文献 22 
第2章 CFRP的切削基础理论 26 
2.1 细观尺度CFRP的切削模型 27 
2.1.1 虑及多向约束的单纤维切削模型 27 
2.1.2 纤维切削断裂的判定 32 
2.1.3 细观尺度上切削CFRP的纤维变形 34 
2.2 宏观尺度CFRP的成屑行为和切削力模型 35 
2.2.1 宏观尺度CFRP的成屑行为 35 
2.2.2 CFRP直角切削的切削力模型 40 
2.3 虑及切削温度的CFRP切削模型的建立 43 
2.3.1 CFRP切削温度场分布模型 43 
2.3.2 虑及切削温度的切削模型 49 
2.4 本章小结 50 
参考文献 50 
第3章 切削加工CFRP的有限元数值模拟 52 
3.1 细观尺度直角切削CFRP的有限元数值模拟 53 
3.1.1 CFRP组成相的本构模型 53 
3.1.2 细观尺度直角切削CFRP的有限元数值模拟过程 58 
3.1.3 细观尺度直角切削CFRP的材料去除分析 60 
3.2 宏观尺度直角切削CFRP的有限元数值模拟 65 
3.2.1 宏观尺度CFRP的本构模型 65 
3.2.2 宏观尺度直角切削CFRP的有限元数值模拟过程 69 
3.2.3 宏观尺度直角切削CFRP的面下损伤分析 74 
3.3 钻削和铣削CFRP的有限元数值模拟 78 
3.3.1 钻削CFRP的有限元数值模拟过程及分析 78 
3.3.2 铣削CFRP的有限元数值模拟过程及分析 82 
3.4 本章小结 84 
参考文献 84 
第4章 CFRP切削加工损伤抑制原理和加工工具 88 
4.1 CFRP切削加工损伤抑制原理 89 
4.1.1 “微元去除”CFRP切削加工损伤抑制原理 91 
4.1.2 “反向剪切”CFRP切削加工损伤抑制原理 96 
4.2 CFRP钻削制孔刀具 101 
4.2.1 传统钻削刀具几何特征对CFRP制孔损伤的影响 102 
4.2.2 具有“反向剪切”功能的钻削刀具微齿结构 114 
4.2.3 具有“反向剪切”功能的微齿钻削刀具及制孔效果 118 
4.2.4 系列化微齿钻削刀具 126 
4.3 CFRP铣削刀具 129 
4.3.1 CFRP铣削刀具的基本结构 129 
4.3.2 具有“微元去除”和“反向剪切”功能的左、右螺旋刃微齿铣刀 131 
4.3.3 左、右螺旋刃微齿结构的优化设计及切削加工效果 135 
4.3.4 系列化左、右螺旋刃微齿铣刀 139 
4.4 本章小结 141 
参考文献 141 
第5章 切削CFRP的刀具磨损 143 
5.1 切削CFRP时刀具磨损的成因 143 
5.2 切削CFRP时刀具磨损的形态及程度表征 144 
5.2.1 刀具磨损形态 144 
5.2.2 刀具磨损程度表征 146 
5.3 切削CFRP时刀具磨损的规律 148 
5.4 切削CFRP时刀具磨损的抑制方法 152 
5.4.1 局部润滑冷却抑制刀具磨损 153 
5.4.2 涂层抑制刀具磨损 156 
5.5 本章小结 159 
参考文献 159 
第6章 CFRP低损伤切削加工工艺 161 
6.1 CFRP低损伤钻削工艺 162 
6.1.1 基于工艺参数优化的低损伤钻削工艺 162 
6.1.2 强化出口侧支撑的低损伤钻削工艺 164 
6.1.3 降低切削区温度的低损伤钻削工艺 165 
6.1.4 振动辅助式低损伤钻削工艺 168 
6.1.5 逆向冷却低损伤钻削工艺 169 
6.2 CFRP低损伤铣削工艺 173 
6.2.1 铣削工艺参数对CFRP去除过程的影响 173 
6.2.2 铣削材料去除过程对铣削损伤形成的影响 180 
6.2.3 铣削工艺参数对铣削损伤形成的影响 182 
6.2.4 CFRP低损伤铣削工艺参数的优选方法 185 
6.3 本章小结 188 
参考文献 188 
第7章 CFRP与金属叠层结构的一体化钻削 190 
7.1 叠层结构一体化钻削轴向力的计算方法 191 
7.2 叠层结构一体化钻削界面温度场的计算方法 199 
7.3 不同温度下叠层结构钻削损伤形成的临界条件 203 
7.3.1 金属/CFRP叠层一体化钻削 203  
7.3.2 CFRP/金属叠层一体化钻削 206 
7.4 叠层结构一体化钻削损伤抑制方法 208 
7.4.1 多阶梯多刃带式低损伤钻削刀具结构 208 
7.4.2 竖刃断屑式低损伤钻削刀具结构 216 
7.5 本章小结 221 
参考文献 222 
关键词索引 224 
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碳纤维增强树脂基复合材料切削加工理论与技术(精)/材料先进成型与加工技术丛书 节选

第1章碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)概述 1.1 引言 社会的发展与材料的生产和运用密切相关,种类数以万计的金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料被发现或发明,并应用于各个领域,大幅推动了社会文明的进步。其中,复合材料是将两种或两种以上无机非金属、金属或有机高分子(又称聚合物)等材料分别作为嵌入的增强相(提供主要性能)和被嵌入的基体相(用于连接增强相,起到传递和分配载荷等作用),基体相和增强相之间通过复合工艺在宏观层面结合但未相互熔融而形成的新型材料。复合材料既能保留增强相材料和基体相材料的主要特点,又能通过特殊设计使各相材料性能互补,彼此关联协同,从而获得原组成相材料所无法比拟的力学(抗拉、抗疲劳等)、理化(耐腐蚀、耐候性等)等性能。因此,复合材料已成为现阶段新材料发展的重要方向。 复合材料根据基体相的不同,大体上可分为金属基、无机非金属基和聚合物基三类复合材料。金属基复合材料一般具有高导热、高导电和抗辐射等特性,常被应用于航空、军事等领域,如哈勃太空望远镜臂架釆用碳纤维增强铝基复合材料(CF/A1)制造。无机非金属基复合材料(如陶瓷基、碳基复合材料等)多用于高温、高磨蚀和高烧蚀等场合,如飞行器动力系统的燃烧室和核能系统的燃料包壳等。相比之下,聚合物基复合材料(如纤维增强树脂基复合材料等)一般密度更小,同时兼具耐酸耐碱等特性,其制备工艺也更为成熟、多样,灵活性高,适用于多种尺度、复杂形状零件的整体近净成型制造(如大型飞机机身桶段等),因而其适用范围更广,是目前应用非常普遍的一类复合材料。 聚合物基复合材料的增强相一般釆用纤维质材料,根据纤维质材料的形态和排布方式可进一步划分为随机分布非连续纤维、单向排布非连续纤维、随机分布连续纤维和定向排布连续纤维,如图1-1所示。非连续纤维增强聚合物基复合材料可以通过控制纤维长度实现复合材料的近似各向同性设计,目前已具备成熟的成型工艺,可实现高效稳定生产,多用于需求量较大但承载力相对较小的零部件,如汽车内饰、外壳等零部件。相比之下,连续纤维增强聚合物基复合材料保证了纤维的完整性,使得纤维拔出需要消耗更多的能量,可显著提高成型后材料的抗拉强度等性能此外,连续纤维增强聚合物基复合材料在制备过程中还可控制纤维方向,从而定向提高材料所组成零件的力学性能。因此,连续纤维增强聚合物基复合材料的应用更为广泛。 连续纤维增强聚合物基复合材料的组成相包括连续纤维增强相(如玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维等)和聚合物基体相(如树脂、橡胶等,以树脂为主)。其中,纤维普遍具备密度小、热膨胀系数小、耐腐蚀等特点;同时不同材质的纤维还具有各自独*的性质,使其组成的复合材料适用于不同场合。例如,玻璃纤维具有良好的绝缘性、耐热性等特点,因而其所组成的玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)多用于电力、建筑等领域;芳纶纤维具有良好的韧性和耐冲击性能,其所组成的芳纶纤维增强树脂基复合材料(AFRP)多用于承受动载荷和局部冲击载荷的装备,如头盔、防弹衣等;碳纤维具有更高的抗拉强度和拉伸模量(图1-2),其所组成的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在比强度、比模量方面更具有突出的优势,是先进复合材料的典型代表,已成为目前先进装备减重增效的优选材料[13]。因此,CFRP的发展主要体现为碳纤维增强相性能和制备方法的不断进步。 1.2 CFRP的发展历程 碳纤维的起源可以追溯到19世纪末期,而直到20世纪五六十年代,美国Wright-Patterson空军基地材料实验室才以人造丝为原材料生产出了碳纤维[14],此后,Curry E.Ford发明了在3000°C高温下通过热处理人造丝制造碳纤维的工艺技术,生产出了当时强度*高的商业化碳纤维Thornel-25,并获得了专利授权,其抗拉强度达1.29GPa,推动了碳纤维的工业化进程。同期,近藤昭男等也开展了相关研究,发明了一种聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的生产工艺技术(图1-3),使碳纤维的拉伸模量得到大幅提升,为工业化推广奠定了基础。英国皇家飞机研究中心的William Watt进一步解决了前驱体PAN基碳纤维共聚单体的内部结构缺陷和除杂、纺丝等问题,发明了真正意义上的高性能PAN基碳纤维。1960年,Roger Bacon发现了丝状石墨(Filamentary Graphite)结构并提出了制备技术,这种结构的轴向性质与单晶碳相似,显著提高了PAN基碳纤维的抗拉强度和拉伸模量,这一成果奠定了高性能碳纤维技术的科学基础。1963年,大谷杉夫还发明了沥青基碳纤维制备技术并生产了世界上*早的沥青基碳纤维。1969年,日本东丽公司(Toray)成功研制出抗拉强度高达2.6GPa的PAN基碳纤维,显著高于人造丝基碳纤维和沥青基碳纤维的强度。至此,PAN基碳纤维已成为制造CFRP的主要原料,制造的CFRP开始在一些非承力构件(如飞机起落架舱门、方向舵等)上应用。 图1-3早期PAN基碳纤维生产工艺装置 到了20世纪70年代,WesleyA.Schalamon和Roger Bacon在1970年通过在2800°C以上的高温条件下“热拉伸”人造丝,使石墨层取向与纤维轴向几乎平行,将纤维模量提高了近10倍,实现了高模量PAN基碳纤维制备技术的突破,发明了商业化制造高模量碳纤维的技术并获得专利授权。1971年日本东丽公司和美国联合碳化物(Union Carbide)公司进行了技术合作,同年月产1t级的碳纤维生产线开始运转,生产的碳纤维以Tomyca作为品牌。1972年10月,美国职业高尔夫球手Gay Brewer使用CFRP高尔夫球杆,在著名的高尔夫球锦标赛——太平洋倶乐部大师赛(Taiheiyo Club Masters)中获得冠军,这是CFRP在中下游民用领域的标志性应用。此后碳纤维的需求量快速增长,到1974年底,仅日本东丽公司的PAN基碳纤维的产量就已经达到每月13t,此外日本东邦(Toho Tenax)、三菱人造纤维(Mitsubishi Rayon)等公司也开始生产PAN基碳纤维。在此期间,碳纤维抗拉强度已达3GPa并实现了批量生产,大幅提高了CFRP的性能,降低了制造成本,促进了CFRP的推广应用,成功用于制造航空航天装备的次承力构件(如飞机垂尾、平尾等)以及民用制品(如高尔夫球杆、钓鱼竿等)。 步入20世纪80年代后,碳纤维的发展进入跨越式阶段,其性能得到了大幅提升。日本东丽公司相继研制成功抗拉强度达4.9GPa、拉伸模量达230GPa的T700级高强PAN基碳纤维和抗拉强度达5.49GPa、拉伸模量达294GPa的T800级高强中模碳纤维,同时还发展了拉伸模量达390GPa的M40等高模碳纤维。到了90年代,世界主要的碳纤维生产企业相继推出了系列化的高性能碳纤维产品,包括德国巴斯夫公司(BASF)的CelionG40系列、美国赫氏公司(HEXCEL)的IM系列、日本东丽公司的T系列和M系列等,如日本东丽公司生产的T1000级碳纤维是高强高模碳纤维的代表,其抗拉强度达6.37GPa、拉伸模量达294GPa。进入21世纪后,为了提高竞争力以及满足更高性能复合材料对碳纤维的要求,国际各大公司相继推出更高强度的碳纤维,如赫氏公司的IM10、东丽公司的T1100、三菱人造纤维公司的MR70、东邦公司的XMS32都是抗拉强度达7GPa、拉伸模量达320GPa的高强高模碳纤维[27]。碳纤维力学性能的大幅提升使得CFRP在先进装备的大尺寸主承力构件中得到了应用(图1-4[28]),这也使得碳纤维的用量需求快速增长。统计数据表明,2008~2018年全球碳纤维需求量从36400t增长到92600t,十年间的年均增长率为9.8%,在此期间中国碳纤维的需求量从8200t增长至31000t,年均增长率达到14.22%,这些碳纤维绝大部分用于制造CFRP零件。 1.3 CFRP的工程应用 经过50余年的发展,CFRP实现了从非承力构件到主承力构件、小型构件到大型构件、简单结构件到复杂结构件的应用升级,在航空航天、海洋工程、陆地交通等领域先进装备的制造中优势凸显。同时,随着生产技术的进步,CFRP的产能不断提升,生产成本逐步下降,CFRP在普通民用生活领域也得到了广泛应用。 1.3.1航空航天领域 减轻重量、提高结构效率是航空航天领域高端装备追求的永恒目标,轻质高强的CFRP在航空航天领域的大量应用,在保证性能的前提下实现了大幅减重,提高了装备的结构效能。在军用飞机方面,C-17军用运输机(图1-5(a))的复合材料用量约为7258kg(大多数为CFRP),占此飞机结构重量的8.1%,与未釆用复合材料的原设计相比,减重达20%,零件减少约90%,生产过程中工装数量减少近70%,大幅提高了运输能力和生产效率;NH-90直升机(图1-5(b))的复合材料用量高达95%,机身、旋翼系统、舱门等均釆用了高强度的CFRP,与全金属结构相比,零件数量减少近20%,重量减轻约15%;美国的“全球鹰,无人机(图1-5(c))作为目前全世界*先进的无人机,CFRP用量达65%,除机身主体结构为铝合金外,其他部件均用复合材料(大部分为CFRP)制成,航程达到22236km,续航时间达到35h,*大飞行速度达到650km/h[32]。可见,CFRP的应用大幅提高了军用飞机的作战性能。 在民用飞机方面,国际先进的大型客机所用材料的比重如图1-6所示,复合材料占比*高,其中绝大部分复合材料是CFRP。波音公司从B707到B747的型号发展经历了10年时间,机身面积增加不到一倍,复合材料使用面积增加50倍。目前*新机型B787“梦想”飞机复合材料用量首次达到了50%,使得B787飞机的燃油效率提高了20%,其中8%的贡献来自复合材料。空中客车公司系列飞机复合材料所占结构重量的比例也在不断上升,从*初A310-300飞机的复合材料用量不足5%,到A320飞机的10%、A340飞机的13%、A380飞机的25%,再到A350XWB飞机的53%,首次实现了复合材料用量超过金属材料。我国下线的大飞机C919也釆用了12%的复合材料,下一代宽体客机CR929复合材料的计划用量也超过了50%。复合材料的用量已成为民用飞机先进性的标志之一。 图1-5应用CFRP的军用飞机 图1-6大型客机复合材料的使用情况 此外,航天领域的空间平台、运载火箭等也大量釆用CFRP实现减重增效(图1-7)。美国哈勃空间望远镜(图1-7(a))釆用了CFRP支撑的精密桁架结构,

碳纤维增强树脂基复合材料切削加工理论与技术(精)/材料先进成型与加工技术丛书 作者简介

贾振元,中国科学院院士,大连理工大学教授、博士生导师,教育部“长江学者”特聘教授。博士毕业于大连理工大学。现任大连理工大学常务副校长,兼任中国机械工程学会机械工业自动化分会副主任委员、教育部高等学校科技委优选制造学部委员、教育部高等学校机械类专业教学指导委员会委员。 长期致力于高端装备关键零部件控形控性机械加工的理论、技术与装备研究。在强各向异性复合材料切削理论、损伤抑制控性加工方法、大型低刚度复杂曲面零件关联控形加工理论与方法、硬脆材料曲面零件测试方法与技术等方面取得了系列成果,发明的技术与装备用于航空航天等领域高端装备40余类关键零部件的制造。发表SCI论文200余篇,出版专著3部、教材1部,并获首届全国教材建设奖全国很好教材二等奖。以完成.人荣获国家技术发明奖一等奖、国家技术发明奖二等奖。获授权靠前发明10余件、中国发明100余件,作为负责人所在团队入选教育部、科技部创新团队和第二批“全国高校黄大年式教师团队”。

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