碳纤维增强复合材料加工技术研究

碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）是碳纤维及树脂材料构成的层叠结构非均质材料，具有高比模量、高比强度、耐腐蚀、抗疲劳等优良特性，广泛应用于航空航天及军工领域，其应用比例已成为评价航空航天飞行器等产品先进性的重要标志之一。在CFRP构件的制造过程中，制备连接孔是一个核心环节，其加工质量的优劣直接关系构件的安全性和可靠性。因此，高质高效的孔加工技术的研究对于提高CFRP构件的性能具有至关重要的意义。
作为一种叠层材料，CFRP在孔加工过程中极易受到轴向力和加工温度的影响，导致材料产生分层、撕裂等加工损伤。这些损伤不仅影响构件的外观，更重要的是会导致构件强度下降，严重影响其性能。因此，降低这些损伤的方法是目前的研究重点。
随着CFRP应用的不断扩大，对于其加工技术的研究也越来越受到关注。目前，国内外对于CFRP加工技术的研究主要集中在以下方面。
（1）材料特性的研究
CFRP是一种具有特殊性质的材料，其材料特性对加工过程有着重要的影响，因此，研究CFRP的特性对孔加工过程的影响也是当前的重要研究方向之一；
（2）加工工艺的研究
加工工艺是影响CFRP加工质量的重要因素之一，研究不同的加工工艺对材料的影响，探索最佳的工艺参数是当前的重要研究方向之一；
（3）加工参数的研究
加工参数是CFRP孔加工过程中的重要影响因素之一，研究不同的加工参数对加工质量的影响，探索最佳的加工参数是当前的重要研究方向之一；
（4）刀具和钻头的研究
在CFRP的孔加工过程中，刀具和钻头是直接与材料接触的部分，研究适合于CFRP加工的刀具也是当前的重要研究方向。本书围绕CFRP的材料特点，从螺旋铣削加工工艺出发，对CFRP螺旋铣削过程中切削力、切削热、新型刀具及加工策略进行了研究。
本书针对CFRP在实际工程中的应用，在著者多年的理论及实验研究的基础上参考部分相关资料编写而成，在此向这些作者表示诚挚的谢意。
由于著者理论水平及实践工作经验有限，书中难免存在不足和疏漏之处，敬请同行和广大读者批评指正。

著者
2023年10月

本书从碳纤维增强复合材料（CFRP）的组成出发，结合碳纤维增强复合材料的成型方法、结构特性，在综合讨论现有加工技术的基础上，对碳纤维增强复合材料螺旋铣削加工技术中的加工特性、切削力、温度场进行了研究，并设计开发了新型碳纤维增强复合材料螺旋铣削专用刀具及高效抑损加工策略，以提高碳纤维增强复合材料的加工质量。全书共8章，包括绪论、CFRP加工研究现状、CFRP常用加工工艺、CFRP螺旋铣削工艺及切削力特性研究、CFRP螺旋铣削切削温度场预测研究、CFRP螺旋制孔低损伤加工新型刀具设计研究、新型刀具加工性能及高效抑损加工策略研究、结论及展望。
本书可供从事碳纤维增强复合材料产品研制、零件加工、难加工材料切削工艺、先进刀具研发等领域的从业者阅读参考，也可供高等学校机械制造等相关专业的师生学习参考。

第1章绪论001
1.1复合材料定义及分类001
1.2CFRP概述005
1.2.1碳纤维的发明及制备工艺006
1.2.2常见碳纤维的型号及性能008
1.2.3常用基体材料特性010
1.2.4CFRP构件成型方法011
1.3CFRP的应用016

第2章CFRP加工研究现状021
2.1CFRP加工中的损伤021
2.1.1CFRP常见损伤形式021
2.1.2CFRP钻削分层损伤形成机制026
2.2CFRP切削机理国内外研究现状030
2.2.1CFRP加工切削力研究030
2.2.2CFRP加工质量研究032
2.2.3CFRP加工切削温度研究034

第3章CFRP常用加工工艺038
3.1CFRP钻削工艺038
3.1.1CFRP钻削切削力研究039
3.1.2CFRP钻削加工切削热研究041
3.1.3刀具磨损043
3.1.4CFRP钻削工艺改进045
3.2CFRP制孔特种加工工艺048
3.3CFRP螺旋铣削加工工艺050

第4章CFRP螺旋铣削工艺及切削力特性研究056
4.1螺旋铣削工艺特性研究056
4.1.1螺旋铣削加工原理056
4.1.2螺旋铣削切削力特性实验研究058
4.2CFRP螺旋铣削工艺参数对加工性能的影响规律060
4.2.1切削参数对轴向力的影响060
4.2.2刀具尺寸对刀具磨损的影响规律062
4.2.3铣钻比对加工效果的影响066
4.3螺旋铣削刀具运动特性及切屑特征研究069
4.3.1螺旋铣削刀具运动学分析069
4.3.2螺旋铣削切屑特征分析070
4.4螺旋铣削切削力建模075
4.4.1螺旋铣削切削力模型的建立075
4.4.2切削力系数的辨识079
4.4.3切削力系数辨识结果及模型验证082

第5章CFRP螺旋铣削切削温度场预测研究085
5.1CFRP螺旋铣削加工温度对加工质量的影响085
5.2CFRP螺旋铣削加工温度特性研究088
5.2.1CFRP螺旋铣削加工温度的测量089
5.2.2CFRP切削参数对切削温度的影响091
5.2.3铣钻比对CFRP螺旋铣削温度的影响093
5.3加工过程温度场预测模型研究094
5.3.1CFRP螺旋铣削切削热源建模094
5.3.2CFRP螺旋铣削加工温度场模型097
5.3.3移动热源模型100
5.3.4模型验证101

第6章CFRP螺旋制孔低损伤加工新型刀具设计研究105
6.1CFRP低损伤螺旋制孔新型刀具105
6.1.1CFRP螺旋铣削出口损伤形成过程分析106
6.1.2CFRP低损伤螺旋制孔原理108
6.1.3刀具结构设计111
6.1.4CFRP低损伤螺旋制孔新型刀具几何模型117
6.2低损伤螺旋制孔新型刀具切削力特性研究120
6.2.1低损伤螺旋制孔新型刀具切削力时变模型120
6.2.2低损伤螺旋制孔新型刀具切削力模型验证122
6.2.3低损伤螺旋制孔新型刀具切削力特性分析124
6.3低损伤螺旋制孔新型刀具加工温度场预测模型127
6.3.1低损伤螺旋制孔新型刀具切削力热通量计算127
6.3.2低损伤螺旋制孔新型刀具切削力加工温度场预测127
6.3.3加工温度对比132

第7章新型刀具加工性能及高效抑损加工策略研究134
7.1新型刀具加工质量检测与分析134
7.1.1出入口质量分析134
7.1.2加工损伤去除过程137
7.1.3孔壁加工质量分析138
7.2刀具加工性能对比141
7.3CFRP螺旋制孔高效抑损加工策略研究145
7.3.1CFRP螺旋制孔高效抑损加工原理及控制策略145
7.3.2CFRP螺旋制孔高效抑损加工策略有效性验证149

第8章结论及展望156
8.1主要结论156
8.2未来展望158

参考文献159