[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

说明书

本发明一种圆角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法，属于复合材料加工技术领域。该方法在实施过程中首先对圆角刀具几何尺寸及形状轮廓数据进行测量并建立刀具‑工件轮廓几何模型，在此基础上建立纤维排布面内刀具圆角轮廓几何模型，之后考虑切出侧纤维方向角θ，建立纤维排布面内刀具圆角与未断裂纤维相互作用几何模型，在此基础上求解未断裂纤维首次发生断裂位置并计算最大理论毛刺长度。本方法根据纤维增强复合材料毛刺产生机理，建立纤维增强复合材料加工过程中的毛刺长度预测模型，方法涉及内容全面、完整，易于操作。

技术领域

本发明属于复合材料加工技术领域，具体地说是一种圆角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法。

背景技术

复合材料是由两种或多种材料复合制成，可综合几种材料的优点，从而获得单一材料无法获得的性能的新型材料，具有比强度、比刚度高和耐高温等优点，在航空航天、能源、化工等领域获得了广泛的应用。纤维增强复合材料是一种典型的复合材料，以纤维作为增强相，金属、陶瓷或聚合物树脂作为基体相，是应用较为广泛的复合材料。

纤维增强复合材料具有典型的各向异性，在不同方向力学性能差异较大，通常将纤维交错制成层合板使用，获得较为理想的力学及服役性能。但纤维增强复合材料构件一般无法直接成型，构件毛坯需要开展二次机械加工使构件获得符合设计要求的尺寸及精度。由于复合材料的各项异性及纤维-基体交界面强度较低，在加工过程中增强相与基体相交替去除，且去除过程不稳定，易出现刀具磨损严重，已加工表面缺陷等问题，严重影响加工成本及构件的使用性能及使用寿命。

为增加刀具强度，提高刀具寿命，常在刀具端面增加一圆角，该措施虽能在一定程度上提高刀具寿命，但无法对复合材料已加工表面缺陷进行抑制，毛刺缺陷是一种典型的已加工加工缺陷，其产生机理为加工过程中纤维在切削力的作用下让刀变形而未发生断裂，从加工表面突出。过长的毛刺会影响装配质量，降低装配的可靠性，同时，对于较为精密的构件，使用过程中毛刺从表面断裂后进入一些重要结构中会影响机构的使用性能，甚至引发危险造成重大安全事故。

为达到控制毛刺尺寸的目的，需建立加工过程中毛刺尺寸预测模型。目前已有关于毛刺尺寸预测相关模型，如文献Hintze W,Hartmann D,Schütte C.Occurrence andpropagation of delamination during the machining of carbon fibre reinforcedplastics(CFRPs)–An experimental study[J].Composites Science and Technology,2011,71(15):1719-1726.及文献Hintze W,Brügmann F.Influence of curved workpiececontours on delamination during end milling of FRP[J].Procedia CIRP,2017,62:62-67.但上述模型只考虑了刀具轴线垂直于纤维排布面的情况，当刀具轴线平行于纤维排布面时模型已经不适用。综上所述，基于纤维增强复合材料加工过程中的纤维断裂机理，并考虑刀具形状对纤维断裂过程的影响，建立刀具轴线平行于纤维排布面加工条件下的毛刺长度预测模型，可在小批量实验的基础上掌握纤维增强复合材料加工特点，大幅节省实验过程中的刀具及材料成本，同时可补充完善不同工况下毛刺长度预测模型体系，为加工刀具设计提供基础，有利于复合材料已加工表面质量控制，为复合材料高质高效加工提供技术支撑。

发明内容

本发明的目的是针对圆角刀具加工纤维增强复合材料，提出一种已加工表面毛刺长度预测方法，该发明能够有效预测加工后纤维增强复合材料毛刺长度，节约实验成本，同时为已加工表面质量控制提供技术基础。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种圆角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法，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；