不同纤维方向角时碳纤维增强树脂基复合材料切削力建模

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）切削中,存在纤维断裂、基体失效和界面相失效等多个过程,且不同纤维切削角时切屑形成机理不同,因而CFRP切削力的有效预测非常困难。对此本文结合最小势能原理和Winkler弹性地基梁理论,基于CFRP代表性单元（RVE）,利用其微元求解纤维挠曲变形方程,分别分析了不同纤维方向角时三个切削变形区的力学行为,并完成纤维临界损伤长度的预测,最终形成不同纤维方向角时的CFRP切削力解析模型。通过CFRP直刃铣刀铣削实验,进行了切削力模型的验证,当纤维方向角在0°~180°时,切削力计算值和实验值随纤维方向角的变化趋势相吻合,切削力大小误差在15%以内。切削力随纤维方向角的增大先增后减,分别在90°和45°附近转变变化趋势。切削形貌表明,纤维方向角为135°时,CFRP铣边加工质量较差,临界损伤长度也较大。建立的切削力解析模型可以较为准确地预测CFRP正交切削力,可为CFRP切屑形成中的力学行为分析提供理论指导。     

CFRP螺旋铣孔加工中的轴向力抑制方法

在碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer,CFRP)螺旋铣孔加工过程中,刀具端刃所产生的轴向力过大会造成制孔出口分层、撕裂、毛刺等缺陷问题。为减小CFRP螺旋铣孔加工中的轴向力,从运动学原理上分析了刀具端齿隙角与未变形切屑的关系,提出了使刀具切削线速度较低的中心区域不参与切削的方法;进一步推导出了使刀具中心不参与切削的条件,并对不同端齿隙角和导程组合下的未变形切屑形状进行了模拟;最后在CFRP上进行了螺旋铣孔试验验证。结果表明,通过增大刀具端齿隙角和减小导程,可以使螺旋铣孔加工中端刃中心区域不参与切削,从而有效减小CFRP螺旋铣孔中的轴向力。     

CFRP铣削有限元模型建立及切削力仿真分析

为探索碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)铣削加工过程中切削力与工艺参数之间的映射关系,建立CFRP铣削加工有限元仿真模型并对切削力进行分析。基于ABAQUS软件通过定义材料属性、材料失效模型、纤维铺层数和纤维方向建立了CFRP铣削加工二维有限元仿真模型,并对该模型进行了实验验证。基于该模型,分析了切削力与纤维方向角、铣削速度、每齿进给量和刀具前角等工艺参数之间的映射关系。仿真结果表明:纤维方向角从0°增大到90°,切削力呈现降低趋势,而纤维方向角从90°增大到180°,切削力呈现增大趋势。随着切削速度和每齿进给量的增大,切削力随之增大,而随着刀具前角增大,切削力随之减小。     

基于经验公式的铣削加工切削力建模研究现状与展望

铣削加工技术是加工航空航天中薄壁件及复杂曲面零件的关键技术之一,可以实现复杂曲面零件高精度、高质量及高效率成形。作为铣削加工的重要现象之一,切削力直接影响刀具的磨损、变形,以及工件的加工效率和质量,为了能够更好地利用切削技术,有必要对切削力的预测进行回顾分析研究。作为铣削力预测技术的关键手段,基于经验的铣削力模型被广泛应用。因此,本研究总结分析了当前关于基于经验的切削力预测技术,综述了切削力系数、未变形切屑厚度、刀具跳动和变形对切削力的影响规律,以期对切削加工质量提供有益参考,最后对该领域未来研究的方向进行了思考。     

纤维方向角对超低温冷却石英纤维复合材料铣削性能的影响

石英增强聚酰亚胺树脂基复合材料是一种非均匀的各向异性材料,其加工性能高度依赖于纤维铺层方向与加工进给方向所成角度,即纤维方向角。本文通过一系列不同纤维方向角的干切削和超低温冷却铣削实验,研究了纤维方向角对表面形貌、表面粗糙度、铣削力及刀具磨损的影响。结果表明:不同纤维方向角,剪应力形式不同,切削断屑形式也不同。纤维方向角为锐角时铣削表面质量均良好,但当纤维方向角增大到90°时,切削表面质量下降,切削力变化幅度增大。相同铣削时间内,在干切削工况下,刀具磨损严重,涂层脱落面积约为测量面积的70%;而在低温切削工况下,涂层未遭到严重破坏,刀具仍处于稳定磨损阶段,刀具耐用度优于干切削工况。     

航空铝合金铣削加工中切削力的数值模拟研究

为了弥补当前斜角切削数值模拟多采用直线刀刃的不足,结合立铣加工的实际情况,提出了适合立铣加工的螺旋齿单刃斜角切削有限元模型,进而对航空铝合金7050-T7451进行了铣削加工切削力的数值模拟研究,得到了切削力值。通过铣削力实验测得了同样切削条件下的铣削力值,数值模拟结果与实验值比较吻合,从而证明所建立的有限元模型是正确的,可用于预报铣削力值。铣削加工切削力的数值模拟研究为航空铝合金切削加工的工艺参数优化、刀具的合理选择及其优化设计奠定了基础,同时也为进一步有效控制整体结构件的加工变形提供了新的研究手段。     

刀具织构轮廓对碳纤维增强复合材料面下损伤影响的切削仿真研究

为减小碳纤维增强复合材料（CFRP）加工时的面下损伤深度,创建了基于二维Hashin准则的宏观连续动态切削CFRP有限元模型,分析了切削力和面下损伤深度与纤维方向角之间的变化趋势,通过引入织构刀具来降低切削力及面下损伤深度,比较了沟槽形织构刀具、圆形织构刀具、三角形织构刀具切削CFRP的切削力和面下损伤。结果表明,不同织构刀具的切削力和面下损伤深度随纤维方向角变化趋势一致,均在0°时最小,90°达到最大值;织构刀具相对传统无织构刀具切削CFRP时均降低了切削力和面下损伤深度,其中圆形织构刀具降低程度最大;仿真模型经实验验证准确有效。     

刀具偏心跳动下侧铣硬脆材料的瞬时铣削力模型

以侧铣可加工微晶陶瓷为对象,建立了瞬时整体铣削力模型,研究了刀具偏心跳动状态下立铣刀侧刃铣削瞬时铣削力。通过铣削刀具与工件的次摆线运动,获得了其瞬时切削厚度、瞬时切削面积。通过线性搜索法确定了刀具偏心量和偏心角的最优解,利用一维搜索算法进行了瞬时铣削力作用点的精确求解,并以刀具偏心跳动状态下的瞬时转角予以表达。以Martellotti模型为基础,建立了新的瞬时铣削力模型。以最小二乘法进行了瞬时铣削力模型系数辨识。并从铣削力作用点（瞬时转角）视角,研究了瞬时铣削力的变化特性。铣削实验验证结果表明,铣削力模型预测值与实验值吻合程度较高,平均相对误差不超过8%,该瞬时铣削力模型具有较高的预测精度。     

纤维夹角和铣削参数对CFRP铣削力的影响

为探索CFRP铣削加工中出现的分层、崩边等表面缺陷形成机理,对CFRP进行铣削加工实验。基于单因素实验法获得了纤维夹角对CFRP铣削力的影响规律,基于中心复合曲面设计,获得了硬质合金刀具铣削CFRP过程中铣削速度、每齿进给量和铣削深度对铣削力的影响规律,并构建了铣削力的预报模型。实验结果表明:纤维夹角在0°～90°,铣削力随纤维夹角的增大而降低,而在90°～180°,铣削力随纤维夹角的增大而增大。f_z和a_e对三个方向铣削力影响都较为显著。v_c对y向和z向铣削力影响较为显著,而对x向铣削力影响不显著。铣削力随三个铣削参数的升高而增大,其中每齿进给量对铣削力影响最大。     

CFRP三维铣削仿真模型的建立及层间损伤分析

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有层间结合强度低、各向异性等特点,切削过程中易产生层间损伤。为了对CFRP铣削加工过程中的层间应力、层间损伤进行研究,建立了复合材料三维铣削仿真模型。该模型在结构上采用等效均质建模,层内单元利用VUMAT子程序建立了三维Hashin起始失效准则以及损伤演化过程模型,层间采用Cohesive单元连接以模拟层间损伤的产生及扩展。通过与实验切削力数值的比较,验证了仿真模型的准确性。利用该模型分析了切削力、层间应力及层间损伤随纤维方向角(0°、45°、90°、135°)的变化规律。结果表明:铣削过程加工损伤主要集中在近工件表面。铣削力、层间应力、层间损伤受纤维方向角的影响,纤维方向角为90°与135°时,轴向铣削力较大,层间应力与层间损伤均随纤维方向角的增加而增大,纤维方向角为135°时,层间应力最大,层间损伤最严重。     

基于零厚度内聚力单元单向碳纤维增强树脂基复合材料微观切削机理研究

为探究碳纤维复合材料(CFRP)微观切削机理,通过有限元法,采用零厚度内聚力单元模拟界面相,碳纤维建模呈圆柱状并随机分布于基体中,以此来真实反应CFRP的微观结构。通过对各组成相设置不同的材料本构、材料失效和演化准则,对4种典型角度(0°、45°、90°、135°)进行直角切削仿真,探究不同纤维角度下单向碳纤维增强树脂基复合材料(UD-CFRP)在切削过程中的微观切削机理。结果表明:不同纤维角度下CFRP的微观破坏形式不同,切削0°CFRP时破坏主要以界面开裂和纤维折断为主,切削45°和90°CFRP时主要是刀具的侵入破坏,切削135°CFRP时则发生纤维的断裂和沿纤维方向的裂纹,纤维断裂点在刀刃下方。最后,通过实验验证了微观模型的准确性。     

单向碳纤维复合材料直角自由切削力的研究

以单向碳纤维复合材料(UCFRP)直角自由切削为研究对象,给出了纤维方向角0°~90°范围内的水平和垂直两方向切削力的理论计算方法。基于切削实验观察,发现在小切削厚度下,刀具刃口半径的作用应当考虑到切削力的计算中去。将切削区分为3个变形区分别计算切削力,总的切削力即为此3个变形区切削力之代数和。计算方法中考虑了刀具前角、刀具刃口半径、切削厚度、材料力学性能等多方面实际因素,发现纤维方向角、刀具前角、切削厚度等因素均对切削力的变化有较明显的影响。经计算值与实验数据对比,发现两者间有较好的一致性。     

薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究

薄壁件加工变形是影响加工精度与质量的关键因素,而切削力建模则是预测表面加工误差的基础。针对两种典型的切削力模型,系统地研究了薄壁件周铣加工过程中切削力变化及表面变形误差分布的有限元计算方法,提出了基于三维非规则网格的刀具/工件变形的耦合迭代格式以及恒定网格下材料去除效应的变刚度处理方法等关键技术,仿真过程充分考虑了切屑厚度变化及不同切削参数对预测结果的影响。以典型钛合金航空材料构件为例,数值计算结果与实验参考数据比较表明,两种切削力模型对同一切削过程的预测均具有很好的一致性。     

切深对椭圆超声振动切削机理的影响

以椭圆超声振动切削为研究对象,通过理论分析,有限元仿真和切削实验,研究了切深变量对其切削过程中机理的影响。指出在微小的切深条件下,刀尖钝圆影响不可忽略,其切削过程表现出微细切削特性。一方面,基于微细切削理论,建立了正交椭圆超声振动切削运动学和力学模型,将切削区分为后刀面回弹区、刀尖犁切区、刀尖剪切区和前刀面摩擦区四个区域,并依次对四个区域内不同切深条件下各个切削分力进行计算分析。另一方面,对切削过程进行有限元仿真和切削实验。其结果表明:当切深小于最小切削厚度时,切削过程主要为刀具后刀面的回弹挤压与摩擦和刀尖钝圆的犁切作用,不产生切屑,切深抗力大于主切削力;当切深大于最小切削厚度并逐渐增大时,刀尖剪切和切屑与前刀面的挤压与摩擦作用逐渐凸显并成为主要切削方式,此时主切削力逐渐超过切深抗力并迅速增大。     

钛合金螺旋铣孔孔径偏差研究

螺旋铣孔是航空航天领域新出现的制孔技术,其切削过程中会产生径向切削力,从而引起刀具变形并造成孔径偏差。针对该问题开展了钛合金螺旋铣孔孔径偏差试验,分析了包括进给方向在内的不同加工参数对孔径偏差的影响规律;基于螺旋铣孔运动学原理对不同进给方向下的材料去除过程和径向切削力方向进行了研究,分析了不同进给方向下的孔径偏差变化规律及形成原因,并设计切削力试验进行了验证;通过分析不同加工参数下的未变形切屑形状及径向切削力变化情况,研究了各加工参数对孔径变化趋势的影响规律。研究结果表明,当进给方向为顺时针时,刀具受背离孔心的径向切削力的作用向孔径外侧发生挠曲变形,导致所加工孔径大于理论孔径;当进给方向为逆时针时则相反。进给速度和导程的增加将加剧孔径偏差,切削速度的增加则会减弱孔径偏差。     

Cutting force prediction for circular end milling process

A deduced cutting force prediction model for circular end milling process is presented in this paper. Traditional researches on cutting force model usually focus on linear milling process which does not meet other cutting conditions, especially for circular milling process. This paper presents an improved cutting force model for circular end milling process based on the typical linear milling force model. The curvature effects of tool path on chip thickness as well as entry and exit angles are analyzed, and the cutting force model of linear milling process is then corrected to fit circular end milling processes. Instantaneous cutting forces during circular end milling process are predicted according to the proposed model. The deduced cutting force model can be used for both linear and circular end milling processes. Finally, circular end milling experiments with constant and variable radial depth were carried out to verify the availability of the proposed method. Experiment results show that measured results and simulated results corresponds well with each other.