多刃微齿铣削碳纤维复合材料铣削力预测

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碳纤维复合材料(CFRP)结构件通常采用整体制造,为满足连接及装配要求,需要对其进行铣削加工。由于CFRP具有非均质性和各向异性等特点,铣削过程中在切削力的作用下容易产生分层、毛刺、表面粗糙度差等缺陷,为了降低缺陷的产生,需要合理地控制切削力。  本文研究的是多刃微齿铣削碳纤维复合材料铣削力预测。在铣削CFRP过程中,将铣刀切削刃划分成若干个微元切削刃,并将微元切削视为斜角切削,通过建立斜角切削多纤维角度的CFRP单向板有限元模型来标定切削力系数,将切削力系数代入微元铣削力模型中得到微元切削力,再经坐标变换到工件坐标系下得到微元铣削力,然后微元铣削力先积分到单个刀刃再叠加到所有参与铣削的刀刃所产生的铣削力,得到周期的铣削力曲线。本文的主要研究内容如下:  首先,基于微元铣削力模型,建立多刃微齿铣削碳纤维复合材料铣削力预测模型,通过斜角切削仿真对切削力系数进行标定。同时对碳纤维复合材料细观切削机理开展研究,分别采用二维和三维细观模型揭示不同纤维角度下纤维的失效形式,并通过直角切削CFRP单向板实验验证,得到切削力随纤维角度的变化规律。  其次,建立斜角切削CFRP单向板的有限元仿真模型,模拟不同纤维角度CFRP单向板的斜角切削过程。首先针对四种典型纤维角度(0°、45°、90°和135°)的CFRP单向板进行斜角切削,并通过斜角切削实验来进行验证。由于刃倾角的存在,斜角切削会产生三个方向的切削力,在轴向力作用下材料的面下损伤和切屑形成不同于直角切削。斜角切削模型得到实验验证后,基于该模型对多个纤维角度的CFRP单向板进行斜角切削仿真,进而得到切削力系数随纤维角度的变化关系。  最后,将切削力系数代入铣削力预测模型中,得到周期的铣削力曲线。通过多刃微齿铣削碳纤维复合材料单向板实验对预测的铣削力进行验证,结果表明铣削力预测比较准确。同时建立多刃微齿铣削碳纤维复合材料单向板有限元模型,与铣削实验相结合,研究不同纤维方向单向板的已加工表面形貌和粗糙度的不同。
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