CN108393521A - 一种碳纤维复合材料顺逆铣加工方式的优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种碳纤维复合材料顺逆铣加工方式的优选方法属于机械加工领域，涉及一种碳纤维复合材料顺逆铣加工方式的优选方法。该方法基于铣削加工参数分别求解铣削过程中纤维切削角的实际变化范围，再依据所使用的材料属性和刀具结构，通过实验或有限元计算的方式确定能使加工质量最优的纤维切削角度范围。最后分别计算顺、逆铣加工时纤维切削角的实际范围落在最优范围中的比例，选择比例较大的铣削方式作为该工况下最优铣削方式。优选方法能够为实现碳纤维复合材料构件的高质、高效、高精度铣削加工提供一种新方法，实现对铣削方式的优化选择，且计算步骤简便，有很好的工程应用前景。

Description

一种碳纤维复合材料顺逆铣加工方式的优选方法

技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及一种碳纤维复合材料顺逆铣加工方式的优选方法。

背景技术

碳纤维复合材料相比于传统的金属材料，具有高比强度、高比模量、可整体设计等优势，广泛应用于航天航空领域先进装备的大型承力构件中。这些大型承力构件，通常采用铺放、固化的方式整体成型，从而实现结构性能一体化设计制造，有效提升了性能设计的灵活性。然而在装配连接环节，这些构件多需通过铣削加工去除多余材料使其形位精度满足公差要求。在此过程中，由于碳纤维复合材料的各向异性及非均质性，其极易出现分层、撕裂等损伤，使得构件整体使用性能下降，甚至造成构件直接报废，阻碍了碳纤维复合材料在先进装备中的推广应用进程。因此，实现碳纤维复合材料构件的高质、高效、高精度铣削是目前复合材料加工领域研究的热点和难点。

通常，铣削加工按照刀具旋转切入工件速度方向与工件进给运动方向的相同或相反，分为顺铣加工和逆铣加工。对于各向同性材料而言，顺、逆铣加工对加工质量的影响主要集中于工件夹紧力以及工艺***的颤振上，在相同刀具和参数下更换铣削方式难以为加工质量带来本质变化。然而，对于非均质、各向异性的碳纤维复合材料而言，顺、逆铣加工方式直接影响了纤维切削角的变化范围，将对铣削加工质量产生本质影响。相比于优化铣削刀具结构以及优化铣削参数，优选铣削方式对于实现碳纤维复合材料构件的高质高效铣削加工，更具必要性及实用性。目前，针对碳纤维复合材料铣削方式选择的研究多局限于定性描述铣削方式对加工质量的影响，尚未形成具体的优选原则和方法。例如：PrashanthJanardhan等人在《Edge Trimming of CFRP with Diamond Interlocking Tools》一文中对碳纤维复合材料顺、逆铣方式对铣削质量的影响进行了对比分析，结果表明对于微刃铣削刀具逆铣加工质量优于顺铣加工，即表面粗糙度和分层损伤均较低，但该研究未深入分析铣削方式对加工质量的本质影响。因此，为更好地指导实际生产，进一步提升碳纤维复合材料构件的铣削质量，需从碳纤维复合材料铣削方式对铣削质量影响的本质出发，对碳纤维复合材料铣削方式的优选方法进行研究，以推进碳纤维复合材料构件在先进装备中的应用进程。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明一种碳纤维复合材料顺逆铣加工方式的优选方法，该方法为实现碳纤维复合材料顺逆铣加工方式的优化选择，首先基于铣削加工参数分别求解顺、逆铣加工过程中纤维切削角的变化范围；其次根据所用材料和刀具，判断能使加工质量最优的纤维切削角度范围；再次，分别求出顺、逆铣加工过程中纤维切削角实际范围落在最优范围中的比例；最后，选择比例较大的铣削方式作为该工况最优铣削方式。本发明能够为碳纤维复合材料顺逆铣加工方式的优化选择提供理论基础，从而有利于实现碳纤维复合材料构件的高质、高效、高精度铣削加工。

本发明的技术方案是一种碳纤维复合材料顺逆铣加工方式的优选方法，其特征是，该方法基于铣削加工参数分别求解铣削过程中纤维切削角的实际变化范围；再依据所使用的材料属性和刀具结构，通过实验或有限元计算的方式确定能使加工质量最优的纤维切削角度范围；最后分别计算顺、逆铣加工时纤维切削角的实际范围落在最优范围中的比例，选择比例较大的铣削方式作为该工况下最优铣削方式；方法的具体步骤如下：

第一步：分别求解顺、逆铣加工过程中纤维切削角的实际范围；

铣削加工过程中，刀具在进给运动的同时持续发生回转，使得实际的纤维切削角在一定范围内持续变化，其大小由工件纤维角度和刀具刀齿的旋转角共同决定。定义纤维切削角ψ为瞬时切削速度方向经逆时针旋转直至与纤维方向重合时所转过的角度，工件纤维角度θ为进给速度方向经逆时针旋转直至与纤维方向重合时所转过的角度，刀齿旋转角为从竖直线沿逆时针方向旋转至瞬时切削点时所经过的角度。

1)逆铣加工时，由几何关系，得：

其中，刀齿旋转角的变化范围为0°至而由铣削工艺参数径向切深a_e和所用铣刀直径D决定，即：

结合式(1-2)，得逆铣加工中纤维切削角的变化范围为：

2)对于顺铣过程，按照此前的定义易知，其纤维切削角ψ_D与相同切削条件下逆铣过程中纤维切削角ψ_U在每一瞬时都互为补角，即满足：

ψ_D＝180-ψ_U (4)

结合式(1-4)，得顺铣加工中纤维切削角的变化范围为：

第二步：根据材料属性和刀具结构，确定纤维切削角的最优范围

本步骤可根据所使用的刀具几何参数和碳纤维复合材料的属性，通过有限元数值模拟或通过简化的直角切削实验，获取损伤深度随纤维切削角度的变化规律，从中选取使得损伤深度较小的纤维切削角度范围作为最优纤维切削角范围。具体方法参见实施例。

第三步：分别求解顺、逆铣加工过程中纤维切削角的实际范围落在最优范围中的比例，并挑选比例大的铣削方式作为该工位的最优铣削方式

设逆铣加工纤维切削角的实际范围落在最优范围内的区间长度为l_U，顺铣加工纤维切削角的实际范围落在最优范围内的区间长度为l_D，即得顺、逆铣加工过程中纤维切削角的实际范围落在最优范围中的比例分别为：

若有ε_U＜ε_D，则选择顺铣；反之，则选择逆铣；二者相等时，则根据第二步中的变化规律，选择能使损伤深度值较小的铣削方式。

本发明的有益效果是针对顺、逆铣加工碳纤维复合材料时加工质量存在本质差别的问题，优选方法从铣削的细观去除过程出发，根据铣削加工参数求解出顺、逆铣方式加工时纤维切削角的实际变化范围，并与最优范围进行对比，据此实现对铣削方式的优化选择，以回避因铣削方式选择不当而造成的加工损伤严重的问题。本发明能够为实现碳纤维复合材料构件的高质、高效、高精度铣削加工提供一种新方法，且计算步骤简便，有很好的工程应用前景。

附图说明

图1为切深为20μm时，不同切削速度下损伤深度随纤维角度的变化图。图2为切深为40μm时，不同切削速度下损伤深度随纤维角度的变化图。图3为切深为60μm时，不同切削速度下损伤深度随纤维角度的变化图。其中横坐标表示纤维切削角，单位为“度”；纵坐标表示损伤深度，单位为“μm”；v为切削速度(m/s)，1-为切削速度v＝0.05(m/s)的损伤深度随纤维角度的变化图，2-为切削速度v＝0.5(m/s)的损伤深度随纤维角度的变化图，3-为切削速度v＝1.5(m/s)的损伤深度随纤维角度的变化图。

图4为实施例中顺、逆铣加工方式下加工质量的效果对比图。其中工件的上长边由顺铣加工完成，工件的下长边由逆铣加工完成。

具体实施方式

下面将结合附图和技术方案，详细说明本发明的具体实施。

本实施例选用前角为5°、后角为10°、钝圆半径为15μm的硬质合金双直刃铣刀，对纤维角度为150°的T800级碳纤维复合材料单向板的铣削方式进行优选，加工参数如表1：

表1 铣削加工参数

第一步：分别求解顺、逆铣加工过程中纤维切削角的实际范围

由表1中的加工参数，得：

满足：则逆铣加工中纤维切削角的实际范围为：

其对应的顺铣加工中纤维切削角的范围为：

ψ_D＝180°-ψ_U∈[30°,66.87°]

第二步：根据材料属性和刀具结构，确定纤维切削角的最优范围

本实施例采用直角切削的方式，对相同材料在相同几何结构的刀具的切削作用下产生的损伤深度随纤维切削角度的变化进行观测，实验参数如表2。

表2 直角切削实验参数表

利用扫描电子显微镜对加工后的工件进行观测，记录每一纤维切削角、每一切削速度、每一切深下加工损伤深度值，结果汇总为图1-图3。由图1、图2、图3可知，不同切深、切削速度下加工损伤深度随纤维切削角的变化规律相似，即使得损伤深度较小的纤维切削角的最优范围为：

ψ_优∈[150°，180°]∪[0°，60°]

第三步：分别求解顺、逆铣加工过程中纤维切削角的实际范围落在最优范围中的比例，并挑选比例大的铣削方式作为该工位的最优铣削方式

顺、逆铣加工中纤维切削角的实际范围落在最优范围内的比例分别为：

由于ε_U＜ε_D，本实施例中选择顺铣的方式进行加工，实际的顺、逆铣加工效果对比如图4所示。图4为实施例中，顺、逆铣加工方式下加工质量的效果对比图。其中，工件的上长边由顺铣加工完成，工件的下长边由逆铣加工完成。

Claims (1)

1.一种碳纤维复合材料顺逆铣加工方式的优选方法，其特征是，该方法基于铣削加工参数分别求解铣削过程中纤维切削角的实际变化范围；再依据所使用的材料属性和刀具结构，通过实验或有限元计算的方式确定能使加工质量最优的纤维切削角度范围；最后分别计算顺、逆铣加工时纤维切削角的实际范围落在最优范围中的比例，选择比例较大的铣削方式作为该工况下最优铣削方式；方法的具体步骤如下：

第一步：分别求解顺、逆铣加工过程中纤维切削角的实际范围

铣削加工过程中，刀具在进给运动的同时持续发生回转，使得实际的纤维切削角在一定范围内持续变化，其大小由工件纤维角度和刀具刀齿的旋转角共同决定；定义纤维切削角ψ为瞬时切削速度方向经逆时针旋转直至与纤维方向重合时所转过的角度，工件纤维角度θ为进给速度方向经逆时针旋转直至与纤维方向重合时所转过的角度，刀齿旋转角为从竖直线沿逆时针方向旋转至瞬时切削点时所经过的角度；

1)逆铣加工时，由几何关系，得：

其中，刀齿旋转角的变化范围为0°至而由铣削工艺参数径向切深a_e和所用铣刀直径D决定，即：

结合式(1-2)，得逆铣加工中纤维切削角的变化范围为：

2)对于顺铣过程，按照此前的定义易知，其纤维切削角ψ_D与相同切削条件下逆铣过程中纤维切削角ψ_U在每一瞬时都互为补角，即满足：

ψ_D＝180-ψ_U (4)

结合公式(1-4)，得顺铣加工中纤维切削角的变化范围为：

第二步：根据材料属性和刀具结构，确定纤维切削角的最优范围

根据所使用的刀具几何参数和碳纤维复合材料的属性，通过有限元数值模拟或通过简化的直角切削实验，获取损伤深度随纤维切削角度的变化规律，从中选取使得损伤深度较小的纤维切削角度范围作为最优纤维切削角范围；

第三步：分别求解顺、逆铣加工过程中纤维切削角的实际范围落在最优范围中的比例，并挑选比例大的铣削方式作为该工位的最优铣削方式

设逆铣加工纤维切削角的实际范围落在最优范围内的区间长度为l_U，顺铣加工纤维切削角的实际范围落在最优范围内的区间长度为l_D，即得顺、逆铣加工过程中纤维切削角的实际范围落在最优范围中的比例分别为：

若有ε_U＜ε_D，则选择顺铣；反之，则选择逆铣；二者相等时，则根据第二步中的变化规律，选择能使损伤深度值较小的铣削方式。