汽车工程进展
开放获取

抽象的

微超声加工混合复合材料电堆微加工的有限元分析与仿真研究

萨吉尔·詹姆斯

混合复合材料叠层是多材料层压板，在航空航天、汽车和电子等行业有着广泛的应用。大多数混合复合材料由多层纤维复合材料和堆叠在一起的金属板组成。这些复合材料叠层具有优异的物理和机械性能，包括高强度、高硬度、高刚度、优异的抗疲劳性和低热膨胀性。这些材料的微加工需要特别注意，因为考虑到材料层的非均质结构和各向异性性质，微钻孔等传统方法极具挑战性。微超声波加工（μUSM）是一种能够超精密加工此类难加工材料的制造工艺。实验研究表明，μ USM 工艺可以成功加工微米级的混合复合材料堆叠，并具有相对良好的表面光洁度。本研究采用有限元模拟技术来研究μ过程中的材料去除情况。用于微加工混合复合材料堆栈的 USM 工艺。研究了振动幅度、进给速度和刀具材料等关键工艺参数对型腔深度、切削力和等效应力分布的影响。这项研究的结果可用于加深我们对混合复合材料堆栈的精密加工的理解，以用于多种关键工程应用。

纤维增强聚合物 (FRP) 是嵌入聚合物材料基体中的高强度纤维的复合材料。纤维一般采用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩或芳纶等具有高强度、高刚度、低密度的材料制成。玻璃钢具有成本低、耐腐蚀、重量轻、固有耐久性、高强度、环保和可生物降解等优点。这些特性使 FRP 成为航空航天、汽车、建筑、医疗技术等多种应用的理想材料选择。在各种玻璃钢中，碳纤维增强聚合物（CFRP）因其高强度重量比、优异的耐疲劳性、高尺寸稳定性、低热膨胀和优异的拉伸强度而受到特别关注。然而，CFRP 材料有一些局限性，包括考虑到其各向异性，在特定方向上的强度较低，由于其脆性和耐磨性较低而容易断裂。为了克服

 

 

 

由于限制，FRP 通常与金属合金堆叠以形成多层混合复合材料堆叠。在玻璃钢中添加薄层金属合金可以增强其抵抗高冲击载荷的能力，并在不显着增加重量的情况下提高弹性模量。这些混合复合材料堆栈越来越受欢迎，并被用作传统复合材料和金属合金的有吸引力的替代品。研究报告称，通过用混合复合材料堆栈替代金属和金属合金，结构质量减少了 35%。由铜 (Cu)、铝 (Al)、钛 (Ti) 及其合金等轻质金属薄层堆叠而成的 CFRP 复合材料已被确定为适用于多种关键工程应用的创新材料。CFRP金属叠层具有高承载能力和优异的抗冲击性和抗冲击性。现代飞机（包括空客 A380 或波音 787）的机身、机翼和尾翼部件均包含混合复合材料金属叠层，例如 CFRP、CFRP/Ti 和 CFRP/Al 等。在碳纤维增强塑料上添加金属或金属合金薄层可增强结构承受高机械载荷的能力，从而提高强度重量比，从而降低燃料消耗。CFRP 金属叠层的其他一些关键应用包括现代汽车（其中 CFRP/Al 叠层用于外部车身部件）、由 CFRP/Al 叠层组成的直升机旋翼叶片等。这里提到的大多数应用都需要对混合复合金属叠层进行加工或钻孔，以达到所需的精度。过去，人们曾多次尝试通过单次操作中的常规钻孔对 CFRP/Ti 和 CFRP/Al 等混合叠层进行钻孔。然而，大多数这些研究都报告了与钻孔操作相关的困难，包括刀具寿命低、CFRP 层严重损坏和分层以及钻槽堵塞。这些困难可归因于堆叠成分的机械加工性差以及堆叠厚度上的性能差异。同样，对由玻璃纤维增​​强聚合物 (GFRP) 和铝板堆叠组成的纤维金属层压板 (FML) 进行钻孔研究也报告了钻孔引起的损坏和分层。有报道称，使用磨料水射流加工 (AWJM)、旋转超声波加工 (RUM) 和放电加工 (EDM) 等非传统加工工艺来加工混合复合金属叠层。通过 RUM 工艺对 CFRP/Ti 叠层进行钻孔的研究表明，与传统钻孔相比，RUM 工艺具有更长的刀具寿命和更好的表面质量。对 AWJM 工艺和 EDM 工艺的研究报告了加工混合复合材料堆栈的局限性。AWJM 会导致 FRP 层分层，而 EDM 工艺会产生极低的表面光洁度以及基体材料中的裂纹。通过 RUM 工艺对 CFRP/Ti 叠层进行钻孔的研究表明，与传统钻孔相比，RUM 工艺具有更长的刀具寿命和更好的表面质量。对 AWJM 工艺和 EDM 工艺的研究报告了加工混合复合材料堆栈的局限性。AWJM 会导致 FRP 层分层，而 EDM 工艺会产生极低的表面光洁度以及基体材料中的裂纹。通过 RUM 工艺对 CFRP/Ti 叠层进行钻孔的研究表明，与传统钻孔相比，RUM 工艺具有更长的刀具寿命和更好的表面质量。对 AWJM 工艺和 EDM 工艺的研究报告了加工混合复合材料堆栈的局限性。AWJM 会导致 FRP 层分层，而 EDM 工艺会产生极低的表面光洁度以及基体材料中的裂纹。