[发明专利]碳纤维复合材料铣削加工损伤深度的预测方法

摘要

本发明碳纤维复合材料铣削加工损伤深度的预测方法属于机械加工领域，涉及一种碳纤维复合材料铣削加工损伤深度的预测方法。该方法基于碳纤维复合材料过程中的刀具运动规律，结合工件不同位置处材料的去除过程，计算刀具运动轨迹上每一瞬时切削点的瞬时加工参数，包括纤维切削角、瞬时切深和瞬时切削速度；通过建立瞬时加工参数与初始加工损伤的关系，求解每个瞬时切削点的初始损伤深度；再基于碳纤维复合材料铣削加工损伤的形成过程，求解最终损伤深度。预测方法能够对铣削加工后损伤的分布进行准确预测，实现碳纤维复合材料工件铣削加工损伤深度的准确计算，为后续有关碳纤维复合材料加工损伤抑制的研究提供基础。

主权项

1.一种碳纤维复合材料铣削加工损伤深度的预测方法，其特征是，该方法基于碳纤维复合材料过程中的刀具运动规律，结合碳纤维复合材料工件不同位置处材料的去除过程，求解每一瞬时切削点的瞬时加工参数；通过建立瞬时加工参数与初始加工损伤的关系，求解每个瞬时切削点的初始损伤深度；再基于碳纤维复合材料铣削加工损伤的形成过程，求解最终损伤深度，并获得整个工件铣削后损伤的分布情况；方法的具体步骤如下：第一步：计算材料去除过程以逆铣加工为例进行分析，设a_f为每齿进给量，a_e为径向切深，N为主轴转速，D为所选用的铣刀直径；θ为工件的纤维角度，即铣削的进给速度方向经逆时针旋转直至与纤维方向重合时所转过的角度；为刀齿旋转角，即从竖直线沿逆时针方向旋转至刀具瞬时切削位置时所经过的角度，为其最大值；ψ为纤维切削角，即瞬时切削速度方向经逆时针旋转直至与纤维方向重合时所转过的角度；a_c为瞬时切深，v为切削速度；由于绝大多数铣削过程进给速度远小于刀齿运动的线速度，因此刀具的运动轨迹可简化为一系列圆弧，且实际的切削速度可近似恒等于刀齿运动的线速度：纤维切削角则与瞬时速度方向和纤维方向相关，即：铣刀刀齿在进给的同时呈周期性运动，使得工件上不同位置处材料的去除过程也呈现周期性；设O为未加工表面上任一点；设A为刀具中心在未加工表面上的投影位于O点时，刀齿切出材料时其运动轨迹与未加工表面的交点；AB为刀具在进给af过程中刀齿去除的材料，即代表性切削区间，Mn(n＝1,2,3,……)为各刀齿运动轨迹的最低点，Qn(n＝1,2,3,……)为相邻两刀齿运动轨迹的交点；以O为坐标原点，以未加工表面轮廓为x轴，以O点的竖直方向OM0作为y轴建立坐标系；由几何关系，得到：设位于AB区间内的Mn点在x轴的投影为M，Qn点投影为Q；则：xM＝k·af   (6)k表示投影落在AB上对应的Mn点的下标，其可通过式(7)计算：公式(7)中ceil的函数表示“向上取整”；AQ段材料总的去除次数为k，QB段材料总的去除次数为k+1；至此，可由铣削加工参数确定总体的材料去除过程；第二步：求解各瞬时切削点的瞬时加工参数碳纤维复合材料的铣削过程，即为工件上各位置处材料由未加工表面经铣刀刀齿多次、不连续切削作用而形成已加工表面的过程；对于AB段内的第一次切削过程，设此时刀具中心位于O1，以弧M0Q0A表示去除过程开始之前的加工表面，当第一次材料去除过程结束后，已加工表面变为由弧Q0M1B表示的曲面；连接点O1和A并延长至弧Q0M1B，交点记为P，点P在AB上的投影记为点S；则临界点P的坐标以及对应的刀齿旋转角的计算公式为：对于临界点S两侧的材料，其第一次去除过程不同，瞬时加工参数为：一般地，对于第i次，1对于BQ段材料，存在第k+1次去除过程，瞬时加工参数为：上述结果均为点M和点Q满足关系“A为对应的刀齿旋转角，ER为初始加工损伤，点F为其与最终已加工表面的交点，FR段为最终加工损伤，则点R的位置坐标为：其中，ti为初始损伤深度；第四步：求解最终损伤深度点R在最终已加工表面上的投影记作点U，则最终损伤深度等于点R与点U的纵坐标之差；最终已加工表面的曲线方程为：公式(18)中的floor函数表示“向下取整”；另一种情况，若初始损伤的终点位于已加工表面之上，其将被彻底去除；最终加工损伤深度表示为：