碳纖維增強樹脂基複合材料多刃微切削的細觀斷裂機理

《碳纖維增強樹脂基複合材料多刃微切削的細觀斷裂機理》是依託大連理工大學,由牛斌擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：碳纖維增強樹脂基複合材料多刃微切削的細觀斷裂機理
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：牛斌

項目摘要

多刃微切削是碳纖維增強樹脂基複合材料空天承力構件低損傷高效加工的重要工藝。本項目圍繞複合材料多刃微切削的細觀斷裂機理與刀具結構最佳化問題，首先，基於彈性地基梁理論建立受基體約束作用的纖維切削斷裂理論模型，研究細觀上纖維切削斷裂機理和纖維基體界面開裂損傷成因，推導不同纖維角度下的切削力解析表達式，獲得基體支撐作用強弱不同時纖維與基體界面開裂條件；進而，將纖維、基體和界面顯式建模並耦合刀具作用，發展材料剛度退化方法、界面內聚力法則和顯式時間積分算法，進行切削過程的細觀動態數值模擬，闡明切削起始和切屑生成全過程的材料細觀去除機理；同時基於數值模型，開展細觀切削力和開裂損傷指標對單刃幾何參數的敏度分析，針對典型多刃刃形開展特徵幾何參數最佳化設計，最後通過切削試驗驗證細觀斷裂機理和最佳化方法。項目研究成果可以為複合材料多刃微切削低損傷高效加工工藝和刀具最佳化提供理論基礎。

結題摘要

碳纖維增強樹脂基複合材料(CFRP)由於其優越的性能在航空航天等裝備領域上得到廣泛套用，而碳纖維複合材料的多界面、多相態等特徵使其成為典型的難加工材料。本項目圍繞碳纖維複合材料構件的多刃微齒切削的材料去除機理、切削力預測和刀具幾何形狀對加工質量的影響規律以及刀具結構最佳化開展研究，包括切削力預測模型、宏細觀直角/斜角切削有限元仿真、不同幾何結構的多刃微齒銑刀對比實驗、以及考慮構件彈性變形的切削損傷預測等幾個方面。首先，發展了細觀層次碳纖維複合材料去除機理和纖維去除切削力理論模型，建立了複合材料多刃切削加工的銑削力預測模型與考慮未切削層彈性變形的鑽削分層臨界軸向力模型。第二，在有限元仿真方面，開展了複合材料巨觀直角和斜角切削有限元分析，對比不同的複合材料損傷起始和演化準則對切削力的影響，得到了切削力係數隨纖維角度的變化規律。建立同時考慮纖維、樹脂及界面的細觀直角和斜角切削加工有限元分析模型，得到了直角切削下不同角度纖維的失效形式和斜角切削下不同刃傾角對於各組成相失效形式的影響規律。第三，在切削實驗和刀具結構最佳化方面，分別開展了單向複合材料直角和斜角切削實驗、不同加工參數的銑削及鑽削實驗，實驗測得的切削力與預測切削力對比結果令人滿意。開展了不同刀具結構的銑削實驗，通過不同刃形和切削刃旋向的銑刀對四種典型纖維角度的單向板銑削實驗，獲得軸向力和徑向力隨纖維角度的變化規律和刀具結構對加工表面粗糙度的影響規律。通過對比有無分屑槽多刃銑刀的切削性能，可以看出銑刀分屑槽不僅可以減小銑削軸向力，而且可以抑制銑削毛刺的產生。通過對不同幾何結構的刀具進行仿真和實驗對比，最佳化了多刃微齒銑刀的切削刃螺旋角與分屑槽螺旋角。本項目研究成果對碳纖維複合材料多刃切削加工提供理論基礎和技術參考。