[发明专利]一种碳纤维复合材料表层切削损伤的综合抑制方法

摘要

本发明一种碳纤维复合材料表层切削损伤的综合抑制方法属于碳纤维增强复合材料加工领域，涉及一种碳纤维增强复合材料表层切削加工损伤的综合抑制方法。该方法通过“微元去除”方法减弱撕裂，进而利用“反向剪切”去除表层毛刺两个过程，能够有效抑制碳纤维增强复合材料切削加工过程中撕裂和毛刺现象。首先建立考虑单侧约束的单纤维切削模型，采用“微元去除”的方法控制单刃切削量，以降低切削过程中分层、撕裂损伤的可能。提出了基于“微齿切刃剪刀切削”抑制毛刺的“反向剪切”法，提高碳纤维复合材料的加工质量，能够有效抑制碳纤维增强复合材料切削加工过程中撕裂和毛刺现象。

主权项

1.一种碳纤维复合材料表层切削损伤的综合抑制方法，其特征是，该方法通过“微元去除”方法减弱撕裂，进而利用“反向剪切”去除表层毛刺两个过程，能够有效抑制碳纤维增强复合材料切削加工过程中撕裂和毛刺现象；具体步骤如下：第一步，建立考虑单侧约束的单纤维切削模型；该模型取碳纤维复合材料表面纤维中的一段作为微元体进行分析，对纤维的受力分析采用了梁模型，并考虑基体对纤维的约束作用，以及界面的结合刚度；通过对纤维微元的受力分析，建立单纤维的变形控制方程：其中，k_mt描述基体的切向约束作用，k_mn描述基体的法向约束作用，k_b为界面结合刚度系数，x为纤维上某段微元体到纤维自由端的距离，E_f和I_f分别表示纤维弹性模量和惯性矩；求解方程得到了纤维挠度解：其中C₁，C₂，C₃，C₄为常数，通过边界条件进一步求解，其他参数如下：代入公式(2)表示为根据模型沿纤维方向上的纤维受力和约束作用不同，将其分为两段分别进行研究；a)顶端至刀刃接触点间的OA段，微元体控制方程为：根据OA段纤维的边界条件：端点x_O＝0，x_A＝L＝a_p‑r_e处的位移w和转角其中，a_p为切削深度，r_e为刀具刃圆半径，由通解表达式(2)求得刀具在某一位移处方程(5)的系数矩阵A：其中，w_O，w_A和分别代表O点和A点纤维的挠度和转角；对式(3)进行求解得向量{C₁ C₂ C₃ C₄}^T，代入式(4)，得到：进而得到了刀具在相应位移处OA段纤维变形总体方程为：式中，Q_O，Q_A和M_O，M_A分别代表O点和A点处的切削力和弯矩；k_ij,i＝1～4,j＝1～4为OA段的刚度系数矩阵中的元素；利用公式(4)进行如下步骤的迭代计算，得到刀具在相应位移处时OA段的纤维变形和切削力情况：I.给定初始切削力和刀具终点位移，计算纤维变形和切削力分布；II.判断刀具是否到达指定位移；若达到，迭代结束，最后计算结果即为所求纤维变形与切削力；若未达到，进行下一步；III.增加刀具位移，重新计算纤维变形和切削力，返回上一步；IV.最终，得到纤维OA段的变形和切削力；b)刀刃接触点至切削平面间的AB段，微元体变形控制方程为：对AB段重复上述分析，引入相应的边界条件和受力特点，求出刀具在相应位移处AB段的纤维变形与切削力；第二步，采用“微元去除”的方法控制单刃切削量，以降低切削过程中分层、撕裂损伤的可能；首先，基于表层材料切削中的切削力做功仅用于纤维变形及基体撕裂的假设，建立了表层材料切削的能量平衡方程(9)，以此求解表层撕裂程度；F_Swn‑SdU＝G_ICS          (9)其中，F_S为刀具作用在单根纤维上的切削力，w为纤维的变形，n为作用面积内纤维的根数，S为纤维在某一变形下撕裂的面积，dU为单位面积纤维的应变能，G_IC为单位面积的临界裂纹扩展能；而n＝b/b₁,S＝ab,dU＝hτ_c²/2Gm；其中，b为作用面积内材料的宽度，b₁为单根纤维的宽度，a为纤维在某一变形下表层材料撕裂的深度，h为表层纤维厚度，τ_c为撕裂处断裂的基体的剪切强度，G_m为断裂的基体的剪切模量；则将b约去后，式(9)化为：第三步，从与强约束方向相反的方向进行切削，通过“反向剪切”法抑制毛刺缺陷；解释如下；基于第一步建立的单侧约束的单根纤维切削模型，计算从不同方向切削表层碳纤维复合材料时纤维的去除情况；规定从表层纤维的有约束侧切削到无约束侧为正向切削，则当正向切削时，AB段纤维微元体变形控制方程为：当反向切削时，AB段纤维微元体的变形控制方程为：其中，k'_mn为反向切削时基体对纤维较强的法向约束作用，k'_mt为反向切削时基体对纤维较强的切向约束作用。