碳纤维／环氧树脂(Carbon/epoxy,C/E)复合材料具有比强度高、比模量高、耐腐蚀等优点,在航空航天、国防军工、能源、交通等领域中得到广泛的应用。复合材料在飞行器上的用量已经成为衡量飞行器先进性和国际竞争力的重要标志,其使用范围也将由蒙皮和次承力结构向主承力结构的应用发展。航空航天大型C/E复合材料构件的装配过程中需要通过大量的铆接或螺接孔进行连接,制孔质量成为影响此类构件强度和疲劳寿命的关键因素。然而,C/E复合材料因特有的各向异性、非均匀性、层间结合强度低、受温度影响大等特点,在制孔过程中极易产生分层、毛刺、撕裂等多种形式与尺度的损伤,属于典型的难加工材料。国内外工程界和学术界在复合材料制孔刀具和工艺技术等方面都开展了大量的研究,但大多为试验研究且对于试验现象的解释还有待进一步深入。由于C/E复合材料中纤维、树脂及界面力学性质的显著差异,导致加工中刀具与材料之间的作用机理极其复杂,对其加工损伤产生机理的深入认识,是实现C/E复合材料的高质、高可靠性加工的重要技术基础。针对以上问题,本文采用理论解析、有限元模拟及模拟试验相结合的方法,对C/E复合材料制孔过程的力学行为开展了较为系统深入的研究,分析了加工中刀具(麻花钻、电镀金刚石磨料套料制孔工具)与C/E复合材料的作用关系,研究了切削力对损伤产生的驱动作用,揭示了制孔过程中材料的去除机理以及毛刺、撕裂、分层损伤的产生机理,建立了制孔损伤综合评价方法,为C/E复合材料制孔刀具设计和加工参数的合理选择提供了理论指导。主要研究内容和结论如下：(1)通过建立切削力解析模型,在横刃作用区域采用接触理论分析横刃的顶压作用,主切削刃作用区域按斜角切削过程并分三个作用区分别考虑,阐述了C/E复合材料麻花钻制孔时的力学行为,分析了加工工艺参数、刀具几何参数以及纤维方向对切削力的影响规律。研究结果表明：在文中所研究的加工参数条件下,横刃产生的轴向力比例占50-80%,横刃产生的扭矩比例一般不超过5%；选择主轴转速较高、进给速度较低的工艺参数组合时切削力较小；当刀具直径一定时,轴向力随主切削刃圆角半径、刀具顶角、横刃厚度的增大而增大；此外,C/E复合材料的各向异性对切削力有重要影响,在一个钻削周期中,轴向力和扭矩曲线随着纤维方向的变化而呈现出剧烈的周期性波动。(2)采用有限元模拟研究了C/E复合材料磨削制孔时单颗磨粒切削的细观过程,阐明了单颗磨粒切削时纤维断裂和切屑形成机理。在此基础上,基于梁的变形理论、断裂力学以及能量守恒理论,建立了单颗磨粒切削复合材料的切削力模型和电镀金刚石磨料套料制孔的切削力模型,研究了切削力随制孔工具参数和工艺参数的变化规律。结果表明：碳纤维在磨粒的划切作用下弯曲变形导致拉伸断裂是其主要失效形式。切削力随着切削深度、磨粒粒径以及复合材料界面结合强度的增大而显著增大,轴向力和扭矩随主轴转速的增大而减小,随进给速度的增大而增大。(3)通过在材料层间界面处引入内聚力模型,在宏观尺度上分别建立了麻花钻刀具和金刚石磨料套料制孔工具制孔过程分层损伤的三维有限元模型,模拟了制孔分层损伤的形成和扩展过程,研究了纤维方向、未加工材料厚度以及不同刀具形式对分层损伤的影响规律。研究结果表明：单向C/E复合材料制孔出口处的分层形貌为椭圆形,电镀金刚石磨料套料制孔工具和麻花钻制孔分层椭圆长轴与短轴的比值分别为1.68和1.85。麻花钻的制孔分层损伤面积大且狭长,即在刀具结构形式上更容易引起分层损伤；C/E复合材料层板内材料的主要失效模式为树脂拉伸失效；出口分层损伤程度随着未加工层材料厚度的减少而增强,多向C/E复合材料的分层损伤程度轻于单向C/E复合材料。(4)为揭示材料的各向异性对C/E复合材料制孔毛刺和撕裂损伤产生的影响机制,采用划痕试验方法,在细观尺度上分析划切过程中刀刃与纤维束间的作用关系,研究沿不同纤维方向划切时材料的变形、断裂和去除过程。结果表明：当划切方向与纤维方向垂直时,划切力最大,较易产生撕裂损伤；当划切方向与纤维方向呈30°、45°、60°时,划痕左侧纤维与划切方向呈钝角,纤维束受到拉伸和弯曲作用产生锯齿形断裂,表面的纤维束容易向左退让形成毛刺；划痕右侧纤维为避让压头发生较大的弯曲变形,纤维断裂均匀,不容易形成毛刺。(5)针对现有复合材料加工损伤评价方法的单一性和局限性,基于统计方法的相对指标法提出了考虑毛刺、撕裂及分层损伤的综合评价方法。根据评价指标的关联性,采用刀具磨损试验确定了评价方法中的系数,并通过超声波探伤对该方法的准确性进行了验证。在本文试验条件下得到,a、b、c、α、β分别为1、1.5、4、0.2、0.8时,损伤因子的变化规律与后刀面磨损量的变化规律较一致,呈现与刀具磨损对应的三个阶段。当损伤因子κ大于临界值0.615时,刀具进入快速磨损阶段,制孔质量较差,不适于应用。超声波检测结果表明,采用损伤因子作为一种加工损伤的评价指标,能够有效地反映和评价不同加工参数下的制孔加工质量状况。上述研究成果为研制和开发系列金刚石磨料制孔工具、顺利完成相关国家科研项目、解决多个航空航天型号研制和批产中遇到的C/E复合材料构件制孔难题提供了可靠的理论依据和技术基础。