【摘 要】
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碳纤维复合材料和钛合金均具有优异的力学性能,二者组成的叠层结构材料被广泛应用于航空飞行装备结构件,极大地优化了构件的性能,提高了装备可靠性。然而,由于叠层材料硬度高、导热性性差、各向异性等特点,在传统钻孔加工中易出现刀具磨损、材料热损伤、孔口撕裂与毛刺等问题,影响了钻孔质量与效率。而磨料水射流作为一种高能、高效、绿色的冷态加工方法,在叠层材料孔加工过程中能克服传统加工的缺点,拥有广阔的应用前景。因
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碳纤维复合材料和钛合金均具有优异的力学性能,二者组成的叠层结构材料被广泛应用于航空飞行装备结构件,极大地优化了构件的性能,提高了装备可靠性。然而,由于叠层材料硬度高、导热性性差、各向异性等特点,在传统钻孔加工中易出现刀具磨损、材料热损伤、孔口撕裂与毛刺等问题,影响了钻孔质量与效率。而磨料水射流作为一种高能、高效、绿色的冷态加工方法,在叠层材料孔加工过程中能克服传统加工的缺点,拥有广阔的应用前景。因此,本文面向CFRP/Ti6Al4V叠层材料,开展磨料水射流孔加工特性及工艺研究。主要研究内容如下:1.磨料水射流基础理论及叠层材料破坏去除机理研究。基于磨料水射流的形成原理、基本结构与基本参数,分析了射流对材料冲击作用力,并探究了磨料水射流对材料的去除机理以及孔加工过程中的孔锥度及CFRP结构损伤成因。结果表明,CFRP与Ti6Al4V在磨料水射流冲蚀去除中分别表现出脆性材料与塑性材料去除特点,且二者锥度变化规律不同。2.叠层材料孔加工过程流场分析。建立了基于流体动力学的射流内流场简化模型,分析了喷嘴内射流特点及随压力变化规律;建立了射流对上下层材料表面冲蚀流场域模型,探究了各因素对流场域内压力及速度的影响,基于磨料水射流加工材料去除理论,分析了不同参数对叠层材料钻孔的影响。结果表明,随压力增大,射流对被加工材料冲蚀效果加强,射流速度增大但水相与磨料相之间始终存在一定的速度差异;随着材料厚度或冲蚀靶距的增大,射流对被加工材料冲蚀效果减弱。3.CFRP/Ti6Al4V叠层材料小孔加工特性研究。分析了材料堆叠次序、厚度对钻孔尺寸、锥度及孔口质量的影响规律,得出适宜磨料水射流加工的堆叠次序;研究了射流压力、冲蚀靶距及冲蚀时间对钻孔质量的影响规律,得出了射流能量与钻孔质量的关系,射流对材料作用的总能量越大,材料去除越充分,Ti6Al4V孔锥度及交界面上孔径差越小,CFRP孔锥度越大;此外,研究了叠层材料冲孔过程中交界面上的材料去除现象,当采用Ti6Al4V在上的堆叠次序时,交界面上孔口周围存在明显的材料去除。4.磨料水射流CFRP/Ti6Al4V叠层材料大孔加工工艺研究。基于磨料水射流冲蚀与曲线切割技术,探索冲蚀与切割相结合的定尺寸孔加工技术,进一步研究了射流压力、靶距与横移速度对定尺寸孔加工质量的影响规律,结果表明,定尺寸孔加工质量整体优于冲孔加工,且孔加工质量与射流能量密度大小有关,单位时间内射流能量密度越大,孔的整体质量越好。结合正交实验分析了各因素影响的主次顺序并构建了孔锥度预测数学模型,得到孔锥度预测值与测量结果平均误差控制在10%以内,表面模型具有可靠性。
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