[发明专利]基于超声铣削的碳纤维增强复合材料纤维切削角改善方法

说明书

本发明提出一种基于超声铣削的碳纤维增强复合材料纤维切削角改善方法。首先根据碳纤维增强复合材料纤维断裂特性建立不同纤维切削角的材料去除模式；其次考虑刀具高频振动对刀具运动学特性的影响，建立刀具上任一点的位移方程；构建单个振动周期内的瞬时切向速度及轴向速度模型，采用切向速度与轴向速度的合成方法建立轴向超声振动铣削纤维切削角模型；在单一纵振的基础上分析二维纵扭超声钻削，建立纵扭共振下的纤维切削角模型；提出纤维切削角改善程度的表征系数，对比分析轴向超声铣削与二维纵扭超声的改善效果；最后基于已建立的超声振动对纤维切削角改善模型，开展铣削实验验证模型的有效性；本发明够实现纤维切削角的准确预测。

技术领域

本发明属于旋转超声铣削加工技术领域，特别是一种基于旋转超声铣削复合材料的 纤维切削角的改善方法。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CFRCs)由于具有轻质、高比强度、高比刚度等优良的机械性能，在现代制造业(例如军用飞机、航天飞机、船舶、汽车的制造)中得到越来越广 泛的应用。在复合材料零件成型后，需要在主体材料上机加工去除部分材料已达到装配 所需的尺寸及精度要求。据统计约60％的零件失效是由加工缺陷引起的，因此复合材料 铣削质量对产品的使用性能和使用寿命有至关重要的作用。然而，CFRCs卓越的机械性 能也为铣削加工带来了挑战，在铣削加工时易于出现分层，沿纤维方向撕裂，表面微裂 纹等缺陷，严重降低材料的力学性能和零部件的使用性能。大量文献表明，纤维切削角 对纤维增强复合材料铣削表面质量起到至关重要的作用，通过改善纤维切削角减小复合 材料加工损伤是一种行之有效的方法。旋转超声铣削技术从本质上改变刀具的运动轨迹， 从而引起刀具切削刃与待剪切纤维的相对运动方向。

为了达到控制超声振动铣削纤维切削角的目的，必然要建立旋转超声铣削加工参数 与纤维切削角的映射关系。目前已有的基于理论分析的旋转超声加工纤维切削角模型，例如文献Wang J,Zhang J,Feng P.Effects of tool vibration on fiber fracture inrotary ultrasonic machining of C/SiC ceramic matrix composites[J].CompositesPart B Engineering, 2017,129:233-242.发表了一种基于旋转超声钻削的纤维切削角数学模型，考虑到了超声 振动参数、加工参数和刀具结构对纤维切削角的影响。由于其忽略了刀具的进给速度， 该模型只适用于轴向振动的旋转超声钻削的纤维切削角的预测。旋转超声铣削加工时进 给方向与超声振动方向不同，进给速度不能忽略，因此目前研究中建立的数学模型不适 用于预测旋转超声铣削的纤维切削角预测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于旋转超声铣削复合材料的纤维切削角的改善方法， 以解决旋转超声铣削CFRCs纤维切削角缺失的问题，实现纤维切削角的准确预测。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于旋转超声铣削复合材料的纤维切削角的改善方法，包括以下步骤：

步骤1、根据C/SiC中纤维断裂特性，建立不同纤维切削角的材料去除模型；

步骤2、引入旋转超声RUM-L方法，建立超声振动下纤维切削角的改善模型；建 立RUM-L的刀尖运动轨迹方程，定义传统加工RCM纤维切削角为α、进给方向与切向 方向的夹角为β、RUM-L下合成速度v与切向方向的夹角为γ、RUM-L下合成速度与 纤维夹角为θ；根据投影三余弦定理，建立RUM-L纤维切削角θ的数学模型；

步骤3、建立旋转超声单一纵振下振幅与纤维切削角的关系；

步骤4、建立旋转超声单一纵振下主轴速度与纤维切削角的关系；

步骤5、在旋转超声单一纵振RUM-L基础上引入旋转超声纵扭共振RUM-LT方法， 建立纵扭共振下纤维切削角的改善模型；