一種碳纖維複合材料表層切削損傷的綜合抑制方法與流程
2023-10-27 03:20:02
本發明屬於碳纖維增強複合材料加工領域，涉及一種碳纖維增強複合材料表層切削加工損傷的綜合抑制方法。
背景技術：
通過基體相和增強相的相互補充與關聯，複合材料大多具有良好的機械性能，被廣泛應用於航空航天、能源、化工等領域。特別是碳纖維增強複合材料以其比強度、比模量高等優點，常用來製造飛行器的核心承力構件。然而在實際連接裝配中為保證其滿足尺寸公差、表面質量、裝配性能等要求，銑削、鑽削等切削加工必不可少。但由於碳纖維增強複合材料主要由碳纖維增強相和樹脂基體相構成，宏觀上呈現明顯的各向異性和層疊特徵，其層間結合強度遠低於其他方向。在加工過程中當軸向切削力大於層間臨界結合力時，極易頂開最外面幾層材料，產生撕裂損傷；另外，由於碳纖維強度極高，導致刀具難以切斷，極易造成嚴重的表層毛刺缺陷。這些問題顯著削減了工件的結構完整性，容易造成較大的裝配誤差，並嚴重縮短了材料的使用壽命。因此，為了提高碳纖維複合材料的加工質量，亟需對其切削加工過程中的表層機械損傷進行抑制。
國內外研究表明碳纖維複合材料的表層撕裂與切削力的大小有較強的正相關關係，因此可以通過減小切削力實現對撕裂大小的控制，而切削力則主要與加工工藝參數有關。1998年北京航空航天大學張厚江的博士學位論文「碳纖維複合材料(CFRP)鑽削加工技術的研究」通過分析多向CFRP和單向CFRP高速鑽削試驗的切削力認為鑽頭轉速越高,切削力越小；進給速度越大,切削力越大；切削力隨著鑽頭直徑的增大而增大，即減小單刃切削量可以減小整體切削力。上述文獻通過分析研究了不同工藝參數對切削力的影響，對加工過程中工藝參數的選擇有一定的指導意義。但各個工藝參數和分層大小的關係都只是通過切削力的實驗數據得到的，缺少深入分析。針對表層毛刺這一缺陷，大連理工大學賈振元等人公開了「一種纖維增強複合材料高效制孔的專用刀具」，專利申請號201510508097.1，它涉及用於纖維複合材料高效制孔的具有交叉旋向的微齒結構的多刃雙頂角鑽頭，通過相鄰切削刃上交叉旋向的微齒結構，實現了在制孔過程中產生的毛刺可以回彈入微齒結構並被微齒剪斷，可有效去除出、入口毛刺，提高了孔壁質量。但上述刀具結構的設計方法只停留在實驗層面，缺乏針對毛刺去除的分析。總之，近些年來針對碳纖維複合材料的表層撕裂和毛刺問題已經存在較多研究，但由於缺乏深入的分析，尚未形成一種普遍適用於鑽削、銑削等在內的抑制表層材料切削損傷的方法。
技術實現要素：
本發明的目的是克服碳纖維複合材料在加工中容易產生撕裂、毛刺等損傷，提出一種碳纖維增強複合材料切削加工過程中表層損傷抑制的新方法，適合於提高碳纖維複合材料的加工質量。該方法主要包含以下過程：首先，通過減小單刃切削量的「微元去除」方法減弱分層；進而，利用「反向剪切」實現「微齒切刃剪刀切削」以去除表層毛刺，能夠有效抑制碳纖維增強複合材料切削加工過程中撕裂和毛刺現象。
本發明採用的技術方案是：一種碳纖維複合材料表層切削損傷的綜合抑制方法，其特徵是，該方法通過「微元去除」方法減弱撕裂，進而利用「反向剪切」去除表層毛刺兩個過程，能夠有效抑制碳纖維增強複合材料切削加工過程中撕裂和毛刺現象；具體步驟如下：
第一步，建立考慮單側約束的單纖維切削模型；
該模型取碳纖維複合材料表面纖維中的一段作為微元體進行分析，對纖維的受力分析採用了梁模型，並考慮基體對纖維的約束作用，以及界面的結合剛度；通過對纖維微元的受力分析，建立單纖維的變形控制方程：
其中，kmt描述基體的切向約束作用，kmn描述基體的法向約束作用，kb為界面結合剛度係數，x為纖維上某段微元體到纖維自由端的距離，Ef和If分別表示纖維彈性模量和慣性矩；求解方程得到了纖維撓度解：
其中C1，C2，C3，C4為常數，通過邊界條件進一步求解，其他參數如下：
代入公式(2)表示為
根據模型沿纖維方向上的纖維受力和約束作用不同，將其分為兩段分別進行研究；
a)頂端至刀刃接觸點間的OA段，微元體控制方程為：
根據OA段纖維的邊界條件：端點xO＝0，xA＝L＝ap-re處的位移w和轉角
其中，ap為切削深度，re為刀具刃圓半徑，由通解公式(2)求得刀具在某一位移處方程(5)的係數矩陣A：
其中，wO，wA和分別代表O點和A點纖維的撓度和轉角；對式(3)進行求解得向量{C1 C2 C3 C4}T，代入公式(4)，得到：
進而得到了刀具在相應位移處OA段纖維變形總體方程為：
式中，QO，QA和MO，MA分別代表O點和A點處的切削力和彎矩；kij,i＝1～4,j＝1～4為OA段的剛度係數矩陣中的元素；
利用公式(4)進行如下步驟的迭代計算，得到刀具在相應位移處時OA段的纖維變形和切削力情況：
I.給定初始切削力和刀具終點位移，計算纖維變形和切削力分布；
II.判斷刀具是否到達指定位移；若達到，迭代結束，最後計算結果即為所求纖維變形與切削力；若未達到，進行下一步；
III.增加刀具位移，重新計算纖維變形和切削力，返回上一步；
IV.最終，得到纖維OA段的變形和切削力；
b)刀刃接觸點至切削平面間的AB段，微元體變形控制方程為：
對AB段重複上述分析，引入相應的邊界條件和受力特點，求出刀具在相應位移處AB段的纖維變形與切削力；
第二步，採用「微元去除」的方法控制單刃切削量，以降低切削過程中分層、撕裂損傷的可能；
首先，基於表層材料切削中的切削力做功僅用於纖維變形及基體撕裂的假設，建立了表層材料切削的能量平衡方程(9)，以此求解表層撕裂程度；
FSwn-SdU＝GICS (9)
其中，FS為刀具作用在單根纖維上的切削力，w為纖維的變形，n為作用面積內纖維的根數，S為纖維在某一變形下撕裂的面積，dU為單位面積纖維的應變能，GIC為單位面積的臨界裂紋擴展能；而n＝b/b1,S＝ab,dU＝hτc2/2Gm；
其中，b為作用面積內材料的寬度，b1為單根纖維的寬度，a為纖維在某一變形下表層材料撕裂的深度，h為表層纖維厚度，τc為撕裂處斷裂的基體的剪切強度，Gm為斷裂的基體的剪切模量；則將b約去後，式(9)化為：
第三步，從與強約束方向相反的方向進行切削，通過「反向剪切」法抑制毛刺缺陷；
基於第一步建立的單側約束的單根纖維切削模型，計算從不同方向切削表層碳纖維複合材料時纖維的去除情況；
規定從表層纖維的有約束側切削到無約束側為正向切削，則當正向切削時，AB段纖維微元體變形控制方程為：
當反向切削時，AB段纖維微元體的變形控制方程為：
其中，k'mn為反向切削時基體對纖維較強的法向約束作用，k'mt為反向切削時基體對纖維較強的切向約束作用。
本發明的有益效果是：建立了考慮單側約束的單纖維切削模型，利用碳纖維複合材料切削的能量平衡方程計算得到了切削一定寬度碳纖維複合材料表層材料時切削深度與撕裂深度之間的關係。同時，考慮到纖維之間的相互作用，當增大切削寬度時，表層材料更容易發生撕裂。由此，提出了通過減小單刃切削量減少分層缺陷的「微元去除」法。通過計算不同切削方向時纖維的去除情況，從刀具與纖維另一側的約束容易形成「剪刀作用」的方向進行切削更易去除毛刺。基於「微齒切刃剪刀切削」方法抑制毛刺的「反向剪切」法，提高碳纖維複合材料的加工質量。利用「反向剪切」實現「微齒切刃剪刀切削」以去除表層毛刺，能夠有效抑制碳纖維增強複合材料切削加工過程中撕裂和毛刺現象。
附圖說明
圖1為考慮單側基體約束的單纖維切削模型，1為刀具，2為基體，3為纖維，FS為刀具作用在單根纖維上的剪力，w為纖維的變形，a為纖維在某一變形下表層材料撕裂的深度，h為表層纖維厚度，ap為切削深度。
圖2為表層材料反向切削示意圖，1為刀具，2為基體，3為纖維，ap為切削深度。
圖3為纖維在正向切削時的應力情況，橫坐標為應力大小，縱坐標代表單根纖維不同位置。
圖4為纖維在反向切削時的應力情況，橫坐標為應力大小，縱坐標代表單根纖維不同位置。
具體實施方式
以下結合附圖和技術方案對本發明的方法進一步說明。
本實施例利用T800級碳纖維複合材料的直角切削計算對表層材料損傷的抑制方法進行詳細說明。其中，通過改變切削深度說明單刃切削量對表層材料撕裂的影響；計算從不同方向切削時纖維切削部位的應力不同說明從不同方向進行切削對毛刺的影響。具體的材料參數如表1所示。
表1
第一步，建立考慮單側約束的單纖維切削模型，如圖1所示。該模型取碳纖維複合材料表層纖維中的一段作為微元體進行分析，對纖維的受力分析採用了梁模型，並考慮基體對纖維的約束作用，以及界面的結合剛度。通過將材料參數代入式(4)和式(8)可以分別求出OA段和AB段纖維變形與切削力。
第二步，由式(10)可以看出撕裂深度a是切削力FS和變形w的函數，而切削力和變形可以通過第一步改變不同的切削深度求得，據此，可以求出不同切削深度下撕裂深度的值。將第一步求得的A點的變形與切削力及上述材料參數代入式(10)求出切削深度和撕裂深度a之間的關係。
如下表2所示：
表2
通過計算結果可以看出，在切削深度小於30μm的範圍內時，隨著切削深度的增大，表層材料的撕裂深度增大。另外，考慮到增大切削寬度時，在纖維的相互作用下表層材料更易發生撕裂。因此，切削深度和切削寬度都與刀具切削時撕裂表層材料的深度成正相關關係，即減小單刃切削量可以降低切削時材料的撕裂深度。進而，採用「微元去除」的方法控制單刃切削量，以降低切削過程中分層、撕裂損傷的可能。
第三步，以30μm切深為例，將材料參數分別代入式(11)和式(12)計算出纖維在正向切削和反向切削時的去除情況，如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，反向切削時A點的應力大於正向切削時A點的應力，即A點在反向切削時更容易達到極限強度。因此，從反向進行切削，令刀具與纖維另一側的約束形成「剪刀作用」可使得纖維更容易被剪切去除。所以，為了實現對毛刺的抑制，應從與強約束方向相反的方向進行切削，即通過「反向剪切」法抑制毛刺缺陷。