一种碳纤维复合材料表层切削损伤的综合抑制方法技术

本发明专利技术一种碳纤维复合材料表层切削损伤的综合抑制方法属于碳纤维增强复合材料加工领域，涉及一种碳纤维增强复合材料表层切削加工损伤的综合抑制方法。该方法通过“微元去除”方法减弱撕裂，进而利用“反向剪切”去除表层毛刺两个过程，能够有效抑制碳纤维增强复合材料切削加工过程中撕裂和毛刺现象。首先建立考虑单侧约束的单纤维切削模型，采用“微元去除”的方法控制单刃切削量，以降低切削过程中分层、撕裂损伤的可能。提出了基于“微齿切刃剪刀切削”抑制毛刺的“反向剪切”法，提高碳纤维复合材料的加工质量，能够有效抑制碳纤维增强复合材料切削加工过程中撕裂和毛刺现象。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于碳纤维增强复合材料加工领域，涉及一种碳纤维增强复合材料表层切削加工损伤的综合抑制方法。
技术介绍
通过基体相和增强相的相互补充与关联，复合材料大多具有良好的机械性能，被广泛应用于航空航天、能源、化工等领域。特别是碳纤维增强复合材料以其比强度、比模量高等优点，常用来制造飞行器的核心承力构件。然而在实际连接装配中为保证其满足尺寸公差、表面质量、装配性能等要求，铣削、钻削等切削加工必不可少。但由于碳纤维增强复合材料主要由碳纤维增强相和树脂基体相构成，宏观上呈现明显的各向异性和层叠特征，其层间结合强度远低于其他方向。在加工过程中当轴向切削力大于层间临界结合力时，极易顶开最外面几层材料，产生撕裂损伤；另外，由于碳纤维强度极高，导致刀具难以切断，极易造成严重的表层毛刺缺陷。这些问题显著削减了工件的结构完整性，容易造成较大的装配误差，并严重缩短了材料的使用寿命。因此，为了提高碳纤维复合材料的加工质量，亟需对其切削加工过程中的表层机械损伤进行抑制。国内外研究表明碳纤维复合材料的表层撕裂与切削力的大小有较强的正相关关系，因此可以通过减小切削力实现对撕裂大小的控制，而切削力则主要与加工工艺参数有关。1998年北京航空航天大学张厚江的博士学位论文“碳纤维复合材料(CFRP)钻削加工技术的研究”通过分析多向CFRP和单向CFRP高速钻削试验的切削力认为钻头转速越高,切削力越小；进给速度越大,切削力越大；切削力随着钻头直径的增大而增大，即减小单刃切削量可以减小整体切削力。上述文献通过分析研究了不同工艺参数对切削力的影响，对加工过程中工艺参数的选择有一定的指导意义。但各个工艺参数和分层大小的关系都只是通过切削力的实验数据得到的，缺少深入分析。针对表层毛刺这一缺陷，大连理工大学贾振元等人公开了“一种纤维增强复合材料高效制孔的专用刀具”，专利申请号201510508097.1，它涉及用于纤维复合材料高效制孔的具有交叉旋向的微齿结构的多刃双顶角钻头，通过相邻切削刃上交叉旋向的微齿结构，实现了在制孔过程中产生的毛刺可以回弹入微齿结构并被微齿剪断，可有效去除出、入口毛刺，提高了孔壁质量。但上述刀具结构的设计方法只停留在实验层面，缺乏针对毛刺去除的分析。总之，近些年来针对碳纤维复合材料的表层撕裂和毛刺问题已经存在较多研究，但由于缺乏深入的分析，尚未形成一种普遍适用于钻削、铣削等在内的抑制表层材料切削损伤的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服碳纤维复合材料在加工中容易产生撕裂、毛刺等损伤，提出一种碳纤维增强复合材料切削加工过程中表层损伤抑制的新方法，适合于提高碳纤维复合材料的加工质量。该方法主要包含以下过程：首先，通过减小单刃切削量的“微元去除”方法减弱分层；进而，利用“反向剪切”实现“微齿切刃剪刀切削”以去除表层毛刺，能够有效抑制碳纤维增强复合材料切削加工过程中撕裂和毛刺现象。本专利技术采用的技术方案是：一种碳纤维复合材料表层切削损伤的综合抑制方法，其特征是，该方法通过“微元去除”方法减弱撕裂，进而利用“反向剪切”去除表层毛刺两个过程，能够有效抑制碳纤维增强复合材料切削加工过程中撕裂和毛刺现象；具体步骤如下：第一步，建立考虑单侧约束的单纤维切削模型；该模型取碳纤维复合材料表面纤维中的一段作为微元体进行分析，对纤维的受力分析采用了梁模型，并考虑基体对纤维的约束作用，以及界面的结合刚度；通过对纤维微元的受力分析，建立单纤维的变形控制方程：其中，kmt描述基体的切向约束作用，kmn描述基体的法向约束作用，kb为界面结合刚度系数，x为纤维上某段微元体到纤维自由端的距离，Ef和If分别表示纤维弹性模量和惯性矩；求解方程得到了纤维挠度解：其中C1，C2，C3，C4为常数，通过边界条件进一步求解，其他参数如下：代入公式(2)表示为根据模型沿纤维方向上的纤维受力和约束作用不同，将其分为两段分别进行研究；a)顶端至刀刃接触点间的OA段，微元体控制方程为：根据OA段纤维的边界条件：端点xO＝0，xA＝L＝ap-re处的位移w和转角其中，ap为切削深度，re为刀具刃圆半径，由通解公式(2)求得刀具在某一位移处方程(5)的系数矩阵A：其中，wO，wA和分别代表O点和A点纤维的挠度和转角；对式(3)进行求解得向量{C1C2C3C4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维复合材料表层切削损伤的综合抑制方法，其特征是，该方法通过“微元去除”方法减弱撕裂，进而利用“反向剪切”去除表层毛刺两个过程，能够有效抑制碳纤维增强复合材料切削加工过程中撕裂和毛刺现象；具体步骤如下：第一步，建立考虑单侧约束的单纤维切削模型；该模型取碳纤维复合材料表面纤维中的一段作为微元体进行分析，对纤维的受力分析采用了梁模型，并考虑基体对纤维的约束作用，以及界面的结合刚度；通过对纤维微元的受力分析，建立单纤维的变形控制方程：EfIfd4w(x)dx4-kmtd2w(x)dx2+(kmn+kb)x=0---(1)]]>其中，kmt描述基体的切向约束作用，kmn描述基体的法向约束作用，kb为界面结合刚度系数，x为纤维上某段微元体到纤维自由端的距离，Ef和If分别表示纤维弹性模量和惯性矩；求解方程得到了纤维挠度解：w(x)=C1cosβxcoshαx+C2cosβxsinhβx+C3sinβxcoshαx+C4sinβxsinhαx---(2)]]>其中C1，C2，C3，C4为常数，通过边界条件进一步求解，其他参数如下：α=λ2+δβ=λ2-δ]]>λ=kmn+kb4EfIf4δ=kmt4EfIf]]>代入公式(2)表示为w(x)=cosβxcoshαxcosβxsinhβxsinβxcoshαxsinβxsinhαxTC1C2C3C4---(3)]]>根据模型沿纤维方向上的纤维受力和约束作用不同，将其分为两段分别进行研究；a)顶端至刀刃接触点间的OA段，微元体控制方程为：EfIfd4w(x)dx4-kmtd2w(x)dx2+kmnx=0---(4)]]>根据OA段纤维的边界条件：端点xO＝0，xA＝L＝ap‑re处的位移w和转角其中，ap为切削深度，re为刀具刃圆半径，由通解表达式(2)求得刀具在某一位移处方程(5)的系数矩阵A：wOdwOdxwAdwAdx=AC1C2C3C4---(5)]]>其中，wO，wA和分别代表O点和A点纤维的挠度和转角；对式(3)进行求解得向量{C1 C2 C3 C4}T，代入式(4)，得到：w(x)=bTA-1w1dw1dxw2dw2dx---(6)]]>进而得到了刀具在相应位移处OA段纤维变形总体方程为：-QOMO-QAMA=k11k12k13k14k21k22k23k24k31k31k33k34k41k42k43k44wOdwOdxwAdwAdx---(7)]]>式中，QO，QA和MO，MA分别代表O点和A点处的切削力和弯矩；kij,i＝1～4,j＝1～4为OA段的刚度系数矩阵中的元素；利用公式(4)进行如下步骤的迭代计算，得到刀具在相应位移处时OA段的纤维变形和切削力情况：I.给定初始切削力和刀具终点位移，计算纤维变形和切削力分布；II.判断刀具是否到达指定位移；若达到，迭代结束，最后计算结果即为所求纤维变形与切削力；若未达到，进行下一步；III.增加刀具位移，重新计算纤维变形和切削力，返回上一步；IV.最终，得到纤维OA段的变形和切削力；b)刀刃接触点至切削平面间的AB段，微元体变形控制方程为：EfIfd4w(x)dx4-kmtd2w(x)dx2+(kmn+kb)x=0---(8)]]>对AB段重复上述分析，引入相应的边界条件和受力特点，求出刀具在相应位移处AB段的纤维变形与切削力；第二步，采用“微元去除”的方法控制单刃切削量，以降低切削过程中分层、撕裂损伤的可能；首先，基于表层材料切削中的切削力做功仅用于纤维变形及基体撕裂的假设，建立了表层材料切削的能量平衡方程(9)，以此求解表层撕裂程度；FSwn‑SdU＝GICS          (9)其中，FS为刀具作用在单根纤维上的切削力，w为纤维的变形，n为作用面积内纤维的根数，S为纤维在某一变形下撕裂的面积，dU为单位面积纤维的应变能，GIC为单位面积的临界裂纹扩展能；而n＝b/b1,S＝ab,dU＝hτc2/2Gm；其中，b为作用面积内材料的宽度，b1为单根纤维的宽度，a为纤维在某一变形下表层材料撕裂的深度，h为表层纤维厚度，τc为撕裂处断裂的基体的剪切强度，Gm为断裂的基体的剪切模量；则将b约去后，式(9)化为：FSwb1-ahτc2/2Gm=GICa---(10)]]>第三步，从与强约束方向相反的方向进行切削，通过“反向剪切”法抑制毛刺缺陷；解释如下；基于第一步建立的单侧约束的单根纤维切削模型，计算从不同方向切削表层碳纤维复合材料时纤维的去除情况；规定从...

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复合材料表层切削损伤的综合抑制方法，其特征是，该方法通过“微元去除”方法减弱撕裂，进而利用“反向剪切”去除表层毛刺两个过程，能够有效抑制碳纤维增强复合材料切削加工过程中撕裂和毛刺现象；具体步骤如下：第一步，建立考虑单侧约束的单纤维切削模型；该模型取碳纤维复合材料表面纤维中的一段作为微元体进行分析，对纤维的受力分析采用了梁模型，并考虑基体对纤维的约束作用，以及界面的结合刚度；通过对纤维微元的受力分析，建立单纤维的变形控制方程：EfIfd4w(x)dx4-kmtd2w(x)dx2+(kmn+kb)x=0---(1)]]>其中，kmt描述基体的切向约束作用，kmn描述基体的法向约束作用，kb为界面结合刚度系数，x为纤维上某段微元...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾振元，王小楠，宿友亮，付饶，白玉，王福吉，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21