CN105138842A - 一种碳纤维复合材料钻削损伤的表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种碳纤维复合材料钻削损伤的表征方法属于损伤评价领域，涉及一种碳纤维复合材料钻削损伤的综合表征方法。表征方法考虑复合材料实际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。本发明不仅计算简单，结果准确，使计算得到的损伤综合评价因子更具有说服力，而且具有很好的工程应用前景。

Description

一种碳纤维复合材料钻削损伤的表征方法

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《InternationalJournalofMachineToolsandManufacture》第37期1097到1108页发表的《Someexperimentalinvestigationsindrillingofcarbonfiber-reinforcedplastic(CFRP)compositelaminates》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AliFaraz在《InternationalJournalofMachineToolsandManufacture》第49期1185到1196页发表的《Cuttingedgerounding:AninnovativetoolwearcriterionindrillingCFRPcompositelaminates》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：

$F_1=\frac{S_{damage}}{S_{hole}}---\left(1\right)$

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

复合材料毛刺损伤是指加工后材料表层未被切断的纤维，由于复合材料具有方向性，钻削过程中毛刺经常出现在两个对称的范围内；分别以毛刺产生区域的长度a为边，以平行于表层纤维方向的最大毛刺长度b为边，建立三角形，用两个三角形的面积对毛刺进行评价，得到毛刺损伤对加工质量的影响因子为：

$F_2=\frac{S_{tri-1}+S_{tri-2}}{S_{hole}}---\left(2\right)$

式中，F₂为毛刺损伤对加工质量的影响因子，S_tri-1为三角形1的面积，S_tri-2为三角形2的面积，S_hole为孔的面积；

步骤3：计算撕裂损伤对加工质量的影响因子

复合材料撕裂通常发生在材料的表层，钻孔时在孔的出口侧产生一些具有宽度和厚度的撕裂损伤，由于撕裂宽度和厚度均对加工质量产生影响，因此，采用等效体积进行评价，得到撕裂损伤对加工质量的影响因子为：

$F_3=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{dis-i}\×H_{mean-i}}{\mathrm{\π}{\left(\frac{d}{2}\right)}^{2}t}---\left(3\right)$

$H_{mean-i}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(H_{mean-i}\right)}_j---\left(4\right)$

式中，F₃为撕裂损伤对加工质量的影响因子，S_dis-i为第i个撕裂区域的面积，H_mean-i为第i个撕裂区域的平均厚度，d为加工孔的直径，t为工件的厚度；

步骤4：加工损伤的综合表征因子

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，得到加工损伤的综合表征因子：

F＝αF₁+βF₂+γF₃(5)

式中，F为加工损伤综合表征因子，F₁为分层损伤对加工质量的影响因子，F₂为毛刺损伤对加工质量的影响因子，F₃为撕裂损伤对加工质量的影响因子，α、β、γ分别代表分层、毛刺、撕裂的权重系数。

本发明的有益效果是：由于复合材料加工过程中存在分层、毛刺、撕裂损伤，使用本发明推导的损伤表征因子公式能够将三种损伤对加工质量的影响全部考虑在内，并且考虑三种损伤对工件承载性能影响的权重系数，使计算得到的损伤综合评价因子更具有说服力。不仅计算简单，结果准确，而且具有很好的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例分层损伤示意图。图中，S_damage黑色区域为分层损伤的面积，S_hole为孔的面积。

图2为本发明实施例毛刺损伤双三角形法示意图。图中，S_tri-1为三角形ABC的面积，S_tri-2为三角形DEF的面积，a为毛刺产生区域的长度，b为毛刺所在区域的最大长度。

图3为本发明实施例撕裂损伤示意图。图中，S_dis-1、S_dis-2、S_dis-3分别为表层撕裂损伤三个区域的面积，H_mean-1、H_mean-2、H_mean-3分别为三个撕裂区域的平均高度。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施。

本实施例中工件为碳纤维复合材料单向板，工件厚度为3mm，钻削实验使用硬质合金钻头，直径6mm。钻削转数为2000r/min，进给速度为300mm/min。由于实际加工中各种损伤往往伴随产生，本发明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，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，碳纤维复合材料损伤的表征方法具体步骤如下：

步骤1：计算分层损伤对加工质量的影响因子

通过声学显微镜得到分层区域的面积如图1所示，S_damage黑色区域为分层损伤的面积，S_hole为孔的面积。将得到的分层区域面积及计算求得孔的面积代入公式(1)中，求得分层损伤对加工质量的影响因子F₁为0.21。

步骤2：计算毛刺损伤对加工质量的影响因子

如图2所示，a为毛刺产生区域的长度，b为毛刺所在区域的最大长度，毛刺损伤的等效面积分别用两个三角形面积表示，S_tri-1为三角形ABC的面积，S_tri-2为三角形DEF的面积。利用定义的三角形构成原则，构建了毛刺出现区域双三角形，将求得的双三角形面积以及孔的面积代入公式(2)，求得毛刺损伤对加工质量的影响因子F₂为0.16。

步骤3：计算撕裂损伤对加工质量的影响因子

如图3所示，图中，S_dis-1、S_dis-2、S_dis-3分别为表层撕裂损伤三个区域的面积，H_mean-1、H_mean-2、H_mean-3分别为三个撕裂区域的平均高度。观测钻削出口处撕裂区域，测量撕裂区域各部分面积及平均高度，将得到的结果代入公式(3)，得到撕裂损伤对加工质量的影响因子F₃为0.05。

步骤4：计算加工损伤综合表征因子。将分层、毛刺、撕裂损伤因子与工件力学性能之间建立回归模型，确定权重系数，本实施例中分层、毛刺、撕裂因子权重系数α、β、γ分别为0.5、0.3、0.2。将权重系数以及步骤1、步骤2、步骤3求得的三种损伤对加工质量的影响因子代入公式(5)，求得本实施例的加工损伤综合表征因子F为0.163。

本发明还通过承载性能测试对该损伤表征方法的准确性进行了验证，当损伤因子为0.163时，制孔质量对承载性能的影响很小，可以应用。此外，结合工厂实际生产设计要求，还可以进一步确定不适合应用的综合损伤表征因子临界值，当综合损伤表征因子大于该临界值，即认为该加工质量不合格，不适合应用。

Claims (1)

1.一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，针对这三种损伤对工件性能的影响，采用权重系数方式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，由三种损伤的权重系数得到加工损伤的综合表征因子；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：

$F_1=\frac{S_{damage}}{S_{hole}}---\left(1\right)$

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

复合材料毛刺损伤是指加工后材料表层未被切断的纤维，由于复合材料具有方向性，钻削过程中毛刺经常出现在两个对称的范围内；分别以毛刺产生区域的长度a为边，以平行于表层纤维方向的最大毛刺长度b为边，建立三角形，用两个三角形的面积对毛刺进行评价，得到毛刺损伤对加工质量的影响因子为：

$F_2=\frac{S_{tri-1}+S_{tri-2}}{S_{hole}}---\left(2\right)$

式中，F₂为毛刺损伤对加工质量的影响因子，S_tri-1为三角形1的面积，S_tri-2为三角形2的面积，S_hole为孔的面积；

步骤3：计算撕裂损伤对加工质量的影响因子

复合材料撕裂通常发生在材料的表层，钻孔时在孔的出口侧产生一些具有宽度和厚度的撕裂损伤，由于撕裂宽度和厚度均对加工质量产生影响，因此，采用等效体积进行评价，得到撕裂损伤对加工质量的影响因子为：

$F_3=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{dis-i}\×H_{mean-i}}{\mathrm{\π}{\left(\frac{d}{2}\right)}^{2}t}---\left(3\right)$

$H_{mean-i}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(H_{mean-i}\right)}_j---\left(4\right)$

式中，F₃为撕裂损伤对加工质量的影响因子，S_dis-i为第i个撕裂区域的面积，H_mean-i为第i个撕裂区域的平均厚度，d为加工孔的直径，t为工件的厚度；

步骤4：加工损伤的综合表征因子

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，得到加工损伤的综合表征因子：

F＝αF₁+βF₂+γF₃(5)

式中，F为加工损伤综合表征因子，F₁为分层损伤对加工质量的影响因子，F₂为毛刺损伤对加工质量的影响因子，F₃为撕裂损伤对加工质量的影响因子，α、β、γ分别代表分层、毛刺、撕裂的权重系数。