[发明专利]一种圆角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法

权利要求书

1.一种圆角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法，其特征在于具有如下步骤：

对圆角刀具几何尺寸及形状轮廓数据进行测量，建立刀具端面圆角轮廓三维曲面方程；

基于圆角刀具与待加工工件相对位置关系，建立刀具-工件轮廓几何模型，并定义圆角刀具的切出角度φ对刀具-工件轮廓几何模型中的刀具-工件相对位置关系进行描述，其中，规定切出角度φ为锐角；

基于纤维排布面内刀具圆角轮廓几何模型及切出侧纤维方向角θ建立纤维排布面内的刀具圆角与未断裂纤维相互作用几何模型；

基于纤维排布面内刀具圆角与未断裂纤维相互作用几何模型，对未断裂纤维首次发生断裂位置进行计算，确定该断裂点与已加工表面之间距离h，并结合工件切出侧纤维方向角θ对圆角刀具加工待加工工件的最大理论毛刺长度l_b进行计算，并记l_b为毛刺长度预测值；

所述圆角刀具几何尺寸及形状轮廓数据测量结果包括圆角刀具端面半径r_s，圆角刀具端面圆角轮廓信息，所述圆角刀具端面圆角轮廓信息为圆角刀具端面圆角轮廓形状，该圆角刀具端面圆角轮廓形状通过测量采样获得圆角刀具端面圆角轮廓上若干采样点的位置信息，在此基础上进行数值拟合得到，具体方式为首先基于圆角刀具形状建立坐标系，该坐标系z轴沿圆角刀具轴向，xoy平面平行于圆角刀具端面，将采样点位置信息放入坐标系，并进行数值拟合，建立刀具端面圆角轮廓三维曲面方程：

g＝g(x,y,z)

所述圆角刀具与待加工工件相对位置关系，指的是：

在加工过程中，圆角刀具轴线平行于待加工工件的纤维排布面：

当待加工工件为平面构件时，其纤维排布面为重合于平面构件切出壁平面；

当待加工工件为曲面构件时，其纤维排布面为曲面构件切出壁切平面，该切平面过切出点；

所述建立刀具-工件轮廓几何模型，指的是：

将圆角刀具和待加工工件沿圆角刀具轴向作投影，其中圆角刀具轮廓投影为圆，待加工工件切出壁轮廓投影为一直线或曲线；

由于加工过程中圆角刀具与待加工工件存在干涉，因此圆角刀具轮廓投影与工件轮廓投影为相交关系，上述相交关系对应的几何模型为所述刀具-工件轮廓几何模型；

所述切出角度φ，为：

刀具-工件轮廓几何模型中圆角刀具轮廓投影与工件切出壁轮廓投影为相交关系，存在两个交点，交点之一为刀具切出点，可根据圆角刀具切削方向与进给方向判断；

刀具切出点圆角刀具切削方向与待加工工件切出壁轮廓夹角即为切出角度；

当待加工工件切出壁轮廓为直线时，所述切出角度φ为刀具切出点圆角刀具切削方向与待加工工件切出壁轮廓夹角；

当待加工工件的切出壁轮廓为曲线时，所述切出角度φ为刀具切出点圆角刀具切削方向与待加工工件切出壁轮廓切线的夹角，该切线过切出点；

且，所述切出角度φ满足以下公式：

其中：l为圆角刀具轴线距离待加工工件切出壁轮廓或切出壁轮廓切线距离；

所述纤维排布面内刀具圆角轮廓几何模型为：

刀具端面圆角轮廓三维曲面方程：

g＝g(x,y,z)

考虑圆角刀具与待加工工件相对位置关系，将纤维排布面放入基于刀具形状建立的坐标系内，其中z轴与刀具轴线重合，xoy平面平行于刀具端面，且x轴平行于纤维排布面，在该坐标系内，所述纤维排布面方程为：

x＝r_s·cosφ

联立纤维排布面方程及刀具端面圆角轮廓三维曲面方程，得到所述纤维排布面内刀具圆角轮廓几何模型的曲线方程为：

将该曲线方程转化为函数形式为：

z＝z(y)

基于纤维排布面内刀具圆角轮廓几何模型及切出侧纤维方向角θ建立纤维排布面内的未断裂纤维与刀具圆角相互作用几何模型，指的是：

在所述纤维排布面内刀具圆角轮廓几何模型的坐标系内结合切出侧纤维方向角θ，建立纤维排布面内刀具圆角轮廓与未断裂纤维相互作用几何模型；其中，上述坐标系位于纤维排布面内，且z轴平行于刀具轴线；切出侧纤维方向角θ为纤维排布面内圆角刀具进给方向逆时针旋转至与纤维方向平行所转过的角度，即纤维方向与y轴夹角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

由纤维排布面内刀具圆角轮廓几何模型可得，该圆角轮廓上一点切线与y轴成一角度，当该选定点位于圆角刀具端面时，选定点切线与y轴夹角α为0，随着选定点从圆角刀具端面沿圆角轮廓逐渐向侧面移动，选定点切线与y轴夹角α连续增大至最大值α_max，该最大值α_max与圆角轮廓相关；

当纤维方向角θ在0～α_max内变化时，圆角轮廓上必存在一点，该点切线与纤维方向平行，当圆角轮廓上一点切线与纤维方向平行时，圆角刀具上该点与未断裂纤维首先接触，纤维率先在该点发生断裂，在力的作用下，裂纹沿纤维-基体交界面发生扩展至已加工表面，形成毛刺，未断裂纤维首次发生断裂位置计算方法为：

将纤维排布面内刀具圆角轮廓几何模型的曲线方程转化为函数形式后的导函数：

z′＝z′(y)

结合切出侧纤维方向角θ求解未断裂纤维首次发生断裂位置：

z′(y)＝tanθ

求解上述方程有：

y＝y^*

将解带入纤维排布面内刀具圆角轮廓几何模型的曲线方程转化为函数形式的方程中，得到未断裂纤维首次发生断裂位置的z轴坐标为：

z^*＝z(y^*)

基于未断裂纤维首次发生断裂位置的z轴坐标，计算未断裂纤维首次发生断裂位置距离圆角刀具端面距离为：

h＝h(z^*)

当圆角刀具轴向磨削深度a_p较大，即a_p≥h时，最大理论毛刺长度l_b为：

当圆角刀具轴向磨削深度a_p较小，即a_ph时，最大理论毛刺长度l_b为：

当圆角轮廓上不存在一点切线与纤维方向平行时，未断裂纤维率先与圆角刀具侧面相接触，纤维-基体交界面裂纹从已加工表面开始扩展，当圆角刀具轴向磨削深度为a_p时，最大理论毛刺长度l_b为：