基于能量法CFRP切削機(jī)理與加工表面質(zhì)量表征方法研究.pdf

1、復(fù)合材料，特別是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP)由于重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。在航空制造過程中，加工質(zhì)量是影響工件服役性能的重要因素。開展CFRP切削機(jī)理、表面缺陷預(yù)測以及表面質(zhì)量表征等問題的研究，對提高航空工業(yè)及其他相關(guān)領(lǐng)域的制造水平有重要意義。
　　本文首先基于能量法分析了單向CFRP切削機(jī)理及切削過程各部分能量消耗。通過對CFRP

2、切削過程中形成新表面、摩擦力做功、形成切屑以及產(chǎn)生加工損傷等各部分能量消耗的分析，基于能量守恒原理建立了CFRP正交切削過程切削力預(yù)測模型，通過不同纖維方向角切削試驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型的正確性。
　　基于赫茲接觸應(yīng)力分布模型以及最小勢能原理，對切削過程纖維變形以及斷裂過程進(jìn)行了理論分析，建立了CFRP正交切削過程纖維-基體界面脫粘長度預(yù)測模型，通過該模型分析了CFRP切削過程中纖維脫粘長度隨纖維方向角的變化規(guī)律；同時基于能量的非線性破

3、壞準(zhǔn)則，建立了CFRP切削過程有限元細(xì)觀仿真模型，仿真結(jié)果與理論預(yù)測結(jié)果較為一致。
　　采用高速攝像裝置，研究了CFRP不同纖維方向角對切屑形成機(jī)理的影響規(guī)律。在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合切削過程斷裂韌度概念以及能量守恒原理，建立了CFRP切削過程斷裂韌度（表面能）預(yù)測模型，分析了單向CFRP正交切削過程能量分布規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，提出表面能增量概念，實(shí)現(xiàn)了對加工表面損傷的量化表征，并通過相關(guān)試驗(yàn)分析了刀具磨損以及纖維方向角對表面能增量

4、的影響規(guī)律。
　　針對CFRP銑削過程，結(jié)合SEM以及圖像分割等技術(shù)，建立了以表面粗糙度、表面空隙率和表面影響層厚度三者為評價指標(biāo)的復(fù)合材料加工表面完整性評價方法。研究了不同銑削參數(shù)對以上三個指標(biāo)的影響規(guī)律，分析了CFRP加工表面缺陷的種類和產(chǎn)生機(jī)理，通過對不同加工質(zhì)量CFRP試件準(zhǔn)靜載拉伸、壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，得到了各個表面質(zhì)量評價指標(biāo)對材料強(qiáng)度弱化的影響規(guī)律。
　　以上研究成果，對建立完整的復(fù)合材料加工質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，提高飛機(jī)裝