[发明专利]一种碳纤维复合材料钻削损伤的表征方法

说明书

技术领域

本发明属于损伤评价领域，涉及一种碳纤维复合材料钻削损伤的综合表征方法。

背景技术

碳纤维复合材料具有轻质高强、耐腐蚀等诸多优点，可以大幅改善有效载荷和燃油消耗，已经广泛用于航空航天、汽车、船舶等领域。然而，由于碳纤维复合材料各部件之间无法通过焊接的方法进行连接，使用螺栓进行机械连接成为碳纤维复合材料装配过程的唯一选择。为了满足连接装配的尺寸精度要求，对碳纤维复合材料部件进行切削加工是碳纤维复合材料制造过程中必不可少的环节之一。而钻削加工是碳纤维复合材料最主要的切削加工形式，约占总切削加工量的一半以上。但是，由于碳纤维复合材料是由质软、粘性大的树脂和强度大、硬度高的碳纤维混合而成的多相材料，其力学性能呈现各向异性，层间结合强度低，易在钻削出口形成毛刺、撕裂、分层等加工损伤，不仅降低部件的装配精度以及承载强度，而且会导致复合材料构件的长期服役性能下降。为了控制和减小钻削损伤，提高复合材料构件的可靠性，对加工损伤程度进行合理有效的评价是后续加工质量评定的基础。因此，若能发明一种钻削损伤的表征方法，对研究复合材料钻削损伤的影响因素以及高质高效加工方法具有重要的指导意义。

由于复合材料加工损伤与金属加工损伤除了在形态和分布上的区别之外，还有复合材料特有的损伤，如：撕裂、分层等，导致传统 的金属零件制造过程中损伤表征方法对于复合材料不再适用。针对这一问题，国内外开展相关研究。1997年中国台湾大华工商学院Chen在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》第37期1097到1108页发表的《Some experimental investigations in drilling of carbon fiber-reinforced plastic(CFRP)composite laminates》一文中提出比直径法分层因子来表征钻削损伤；2009年德国多特蒙德工业大学Ali Faraz在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》第49期1185到1196页发表的《Cutting edge rounding:An innovative tool wear criterion in drilling CFRP composite laminates》一文中提出比面积法分层因子表征钻削损伤，然而实际加工中各种损伤往往伴随产生。上述方法都仅从单一方面对钻孔损伤进行表征，没有综合考虑钻孔产生的毛刺、撕裂及分层损伤，以及毛刺产生区域的影响，导致无法准确表征加工损伤程度。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，只能表征钻削损伤的程度，无法准确表征钻削损伤对承载性能的影响，发明一种碳纤维复合材料钻削损伤的表征方法。该方法综合考虑实际加工中的分层、毛刺及撕裂对加工损伤的影响，分别计算分层、毛刺及撕裂对于加工质量的影响因子，并通过建立这三种损伤程度与力学性能之间的回归模型确定各自权重系数，最终建立综合损伤表征模型。该表征方法使计算得到的损伤综合评价因子更具有说服力，结果准确，具有很好的工程应用前景。

本发明采用的技术方案是一种碳纤维复合材料损伤的表征方法， 其特征是，表征方法考虑复合材料加工过程中产生的分层、毛刺、撕裂损伤现象，采用这三种损伤对工件性能影响的权重系数，推导出损伤表征因子公式，通过建立分层、毛刺、撕裂这三种损伤因子与工件力学性能参数之间的回归模型，确定三种损伤的权重系数后，得到加工损伤的综合表征因子，将三种损伤对加工质量影响全部考虑在内；表征方法的具体步骤如下：

步骤1：计算分层损伤对于加工质量的影响因子

复合材料的分层损伤通常出现在出口表层材料之间，通过声学显微镜对钻削后样件的孔周边进行局部扫描，得到从入口到出口的分层损伤信息在投影平面上的叠加；读取分层损伤的面积并计算孔的面积，得到分层损伤对加工质量的影响因子：

式中，F₁为分层损伤对加工质量的影响因子，S_damage为分层损伤在投影平面内叠加的面积，S_hole为孔的面积；

步骤2：计算毛刺损伤对加工质量的影响因子