基于復(fù)合材料各向異性的切削力熱變化規(guī)律和表面質(zhì)量評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著全球航空業(yè)的快速發(fā)展，無(wú)論是強(qiáng)調(diào)飛行性能的軍機(jī)，還是強(qiáng)調(diào)安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、舒適的民機(jī)，更輕、更強(qiáng)的復(fù)合材料化飛機(jī)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，在過(guò)去幾十年里碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）快速發(fā)展成為航空結(jié)構(gòu)件的主流材料。CFRP材料與傳統(tǒng)單相金屬材料的切削加工過(guò)程有著明顯的區(qū)別，使得切削加工領(lǐng)域必須面對(duì)新的挑戰(zhàn)，這主要是由于CFRP材料顯著的各向異性所造成的。因此，從各向異性的角度重新建立 CFRP材料切削過(guò)程的解釋理論體系，對(duì)我國(guó)航空制造

2、業(yè)開(kāi)展高水平、大用量的CFRP材料應(yīng)用具有重要意義。
　　首先，研究高強(qiáng)、高硬增強(qiáng)相長(zhǎng)碳纖維的切削加工斷裂行為。以長(zhǎng)纖維形式存在于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，是造成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有顯著各向異性的根本原因。本文應(yīng)用“減法”原理，單獨(dú)研究了CFRP材料中的單層材料－碳纖維預(yù)浸布料在切削加工中的斷裂行為，分析了不同纖維方向下碳纖維切斷的切斷力變化規(guī)律以及宏觀斷口形貌和微觀缺陷形貌，并基于此得到了CFRP單向?qū)雍习迩邢骷庸r(shí)進(jìn)出口處的表面缺陷形

3、成機(jī)理；通過(guò)AE聚類分析得到了6種典型斷裂信號(hào)的AE特征；基于定征試驗(yàn)結(jié)果，以AE特征參數(shù)中的三個(gè)計(jì)數(shù)量：能量計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、撞擊計(jì)數(shù)為輸入建立了CFRP材料切削加工中撕裂缺陷的在線預(yù)測(cè)控制模型。
　　其次，研究CFRP單向?qū)雍习宓那邢鬟^(guò)程力、熱變化規(guī)律：
　　（1）CFRP單向?qū)雍习宓那邢髁ψ兓?guī)律具有顯著各向異性，不同纖維方向角條件下的切削比能差異明顯，基于此提出了CFRP層合板單層材料周向切削時(shí)的切削比能圖譜；討論了不

4、同切削參數(shù)條件下，切削力各向異性特征的顯著性；優(yōu)化確定了加工CFRP材料刀具鈍圓半徑的優(yōu)化選擇范圍；分析了平行切削關(guān)系、垂直切削關(guān)系、順纖維切削關(guān)系、逆纖維切削關(guān)系四種方向條件下的CFRP材料切削去除機(jī)理，得到了不同方向下的斷裂破壞主導(dǎo)機(jī)制；基于0°、90°、135°三個(gè)基本方向下的切削比能試驗(yàn)結(jié)果，推導(dǎo)了CFRP單向?qū)雍习宓姆较蛐郧邢鞅饶芄?，并建立了考慮了切削速度影響的基于方向性切削比能的CFRP單向?qū)雍习宥S切削力模型。
　

5、?。?）CFRP單向?qū)雍习逶谇邢鬟^(guò)程中的溫度變化規(guī)律也表現(xiàn)出顯著的各向異性，不同纖維方向角條件下的切削溫度差異明顯；CFRP材料是一種加工回彈較為嚴(yán)重的材料，切深抗力水平較高，在切深抗力的影響下工件與刀具后刀面接觸摩擦的第三變形區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，此部分切削熱會(huì)向工件、刀具后刀面?zhèn)鲗?dǎo)造成兩者溫度的上升，溫度的上升幅度與切深抗力成正比；對(duì)切削溫度影響較大的因素依次為切削速度、切深抗力、刀具磨損程度；討論了不切削參數(shù)和刀具參數(shù)條件下，切削溫

6、度各向異性的顯著性，平行方向比垂直方向更容易受影響產(chǎn)生切削溫度的波動(dòng)；考慮影響更大的第 III變形區(qū)摩擦熱源建立了CFRP單向?qū)雍习宓亩S切削溫度預(yù)測(cè)模型，并引入了方向性切削比能。
　　再次，研究CFRP單向?qū)雍习逶诟飨虍愋燥@著的力熱作用影響下形成的切削加工表面特征，討論適合描述CFRP單向?qū)雍习灞砻娲植诙容喞头謱尤毕莸谋砻尜|(zhì)量評(píng)價(jià)方法。分析了平行切削關(guān)系、垂直切削關(guān)系、順纖維切削關(guān)系、逆纖維切削關(guān)系四種方向條件下的CFRP材料

7、切削表面創(chuàng)成機(jī)理；針對(duì)CFRP單向?qū)雍习迩邢骷庸ぶ行纬傻奶赜写植诘?、帶有周期性尖峰谷的表面粗糙度輪廓特征，提出了采用Ra或Rq描述表面基本幾何輪廓波動(dòng)情況，并同時(shí)采用 Rz描述特有的周期性表面空隙；基于超聲掃描顯微鏡（SAM）觀察并分析了分層形成的三維結(jié)構(gòu)缺陷特征，提出了一種三維體積分層因子的分層評(píng)價(jià)方法。
　　最后，以CFRP單向?qū)雍习宓你@削制孔加工為應(yīng)用實(shí)例，分析了鉆削力、熱變化以及制孔缺陷的各向異性規(guī)律?；贑FRP單向?qū)雍?/p>