基于復合材料各向異性的切削力熱變化規(guī)律和表面質(zhì)量評價試驗研究.pdf

1、隨著全球航空業(yè)的快速發(fā)展，無論是強調(diào)飛行性能的軍機，還是強調(diào)安全、經(jīng)濟、環(huán)保、舒適的民機，更輕、更強的復合材料化飛機結構已經(jīng)成為大勢所趨，在過去幾十年里碳纖維增強復合材料（CFRP）快速發(fā)展成為航空結構件的主流材料。CFRP材料與傳統(tǒng)單相金屬材料的切削加工過程有著明顯的區(qū)別，使得切削加工領域必須面對新的挑戰(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材料切削過程的解釋理論體系，對我國航空制造

2、業(yè)開展高水平、大用量的CFRP材料應用具有重要意義。
　　首先，研究高強、高硬增強相長碳纖維的切削加工斷裂行為。以長纖維形式存在于復合材料結構中，是造成碳纖維增強復合材料具有顯著各向異性的根本原因。本文應用“減法”原理，單獨研究了CFRP材料中的單層材料－碳纖維預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進出口處的表面缺陷形

3、成機理；通過AE聚類分析得到了6種典型斷裂信號的AE特征；基于定征試驗結果，以AE特征參數(shù)中的三個計數(shù)量：能量計數(shù)、振鈴計數(shù)、撞擊計數(shù)為輸入建立了CFRP材料切削加工中撕裂缺陷的在線預測控制模型。
　　其次，研究CFRP單向?qū)雍习宓那邢鬟^程力、熱變化規(guī)律：
　?。?）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；分析了平行切削關系、垂直切削關系、順纖維切削關系、逆纖維切削關系四種方向條件下的CFRP材料切削去除機理，得到了不同方向下的斷裂破壞主導機制；基于0°、90°、135°三個基本方向下的切削比能試驗結果，推導了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、　（2）CFRP單向?qū)雍习逶谇邢鬟^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)會產(chǎn)生大量切削熱，此部分切削熱會向工件、刀具后刀面?zhèn)鲗г斐蓛烧邷囟鹊纳仙瑴囟鹊纳仙扰c切深抗力成正比；對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；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切削溫度預測模型，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)量評價方法。分析了平行切削關系、垂直切削關系、順纖維切削關系、逆纖維切削關系四種方向條件下的CFRP材料

7、切削表面創(chuàng)成機理；針對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情況，并同時采用 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構缺陷特征，提出了一種三維體積分層因子的分層評價方法。
　　最后，以CFRP單向?qū)雍习宓你@削制孔加工為應用實例，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>