[发明专利]一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法

说明书

本发明公开了一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法，步骤如下：工件可靠装夹，并保证加工过程中砂轮轴线平行于纤维排布面；确定砂轮端面半径；确定砂轮轨迹；获得砂轮切出角度及纤维方向角在砂轮移动过程中的变化规律；通过迭代算法对砂轮端面倒角角度进行再设计，获得砂轮端面倒角角度迭代输出值；进一步对砂轮端面倒角角度迭代输出值进行优化，确定砂轮端面倒角角度最终设计值及砂轮端面倒角长度最终设计值。本发明针对现有CFRP加工易产生毛刺，去毛刺工序复杂的问题，提出一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法，使用该方法设计得到的砂轮可在CFRP磨削过程中对毛刺进行抑制，具有加工工序简单，加工成本低的优点。

技术领域

本发明属于复合材料加工技术领域，具体地说是一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法。

背景技术

复合材料是由两种或多种材料复合而成，结构可设计的新型材料，具有比强度、比刚度高、密度低、热膨胀系数低等优异的力学性能，在航空航天、仪器仪表、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，其增强相为连续纤维，如碳纤维、玻璃纤维等，基体为金属、树脂、陶瓷等。CFRP是一种典型的复合材料，以连续碳纤维作为增强相，以聚合物树脂等作为基体相，作为轻质构件在工程领域应用广泛，但该类材料在制造过程中存在一定程度的边缘效应，周边材料均匀性差，与内部材料存在性能差异，由其制成的构件一般无法直接成型，大多数构件在初始成型之后需要二次加工以获得设计所需的尺寸精度及表面质量要求。

磨削或铣磨加工是CFRP典型的加工方法，一般统称为磨削加工，常用于半精加工或精加工阶段，但由于复合材料典型的各向异性及非均匀性，在磨削过程中，砂轮与增强相纤维及基体交替作用，材料去除过程不同步，此外，非均质材料内部纤维或基体的断裂强度大于纤维-基体界面开裂强度，纤维-基体交界面受力会率先发生开裂，继而引发多种形式的加工损伤及缺陷。

毛刺是一种典型的CFRP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发生让刀变形而非断裂，在加工完成后从已加工表面突出。过长的毛刺会影响装配质量，降低装配的可靠性，若使用过程中毛刺发生断裂后进入一些重要结构中，会影响机构的服役性能或服役寿命，甚至引发危险造成重大安全事故。

为保证CFRP构件的服役性能及服役可靠性，需对毛刺缺陷进行控制。传统的方案为在磨削加工后增加一道去毛刺的工序，使用砂纸打磨已加工表面，或使用专用的去毛刺装置及刀具去除加工过程中的毛刺缺陷，然而上述方案增加了工序步骤，造成时间成本和装置成本的浪费，提升了加工成本。

针对现有去毛刺方法工序多，成本高的不足，本发明提出一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法，从毛刺产生机理出发，通过砂轮结构参数的设计及优化，在加工过程中对毛刺的形成过程从根本上进行抑制，可在保证构件加工表面质量的前提下降低加工成本，提高生产效率。

发明内容

本发明旨在提出一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法，基于该方法设计得到的砂轮可在纤维增强复合材料加工过程中对毛刺的形成进行抑制，可提高已加工表面质量，实现复合材料的高质高效加工。本发明采用的技术手段如下：

一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法，具有如下步骤：

工件可靠装夹，并保证加工过程中砂轮轴线平行于纤维排布面；

确定砂轮端面半径r_s；

确定砂轮轨迹；

获得砂轮切出角度φ及纤维方向角θ在砂轮移动过程中的变化规律；

根据纤维方向角θ在砂轮移动过程中的变化规律，初步确定：砂轮端面倒角角度初始设计值β₀，砂轮端面倒角长度初始设计值b_∈0，并结合砂轮切出角度φ在砂轮移动过程中的变化规律，通过迭代算法对砂轮端面倒角角度进行再设计，获得砂轮端面倒角角度迭代输出值β_outp；