微细切削芳纶纤维复合材料表面创成机理研究

芳纶纤维复合材料属轻质、高强、高韧的新型复合材料，在各领域都有广泛的用途，但其二次加工易出现缺陷，制约了该材料的进一步应用。本研究旨在揭示该材料的切削断裂机理，研究避免其加工缺陷的工艺方法，研究内容及其成果主要包含：（1）针对该材料进行微细切削全过程的ABAQUS仿真，基于2D编织形态的单胞模型建立了芳纶纤维复合材料的三维模型，研究了其断裂力学特性；（2）通过试验研究了该材料的切屑形态即分为絮状切屑、块状切屑、盘丝状切屑，絮状切屑是切削状态良好的一种切屑，块状切屑出现在低速切削和切削条件恶化的情况下，盘丝状切屑表明切削刃开始出现磨损；（3）定义了该材料瞬时切削状态比α、纤维方向系数β、切削方向角γ，并研究了切削力随上述参数的变化趋势。试验表明X方向切削力随α单调增减，与β无关；Y方向切削力与纤维方向系数β相关，当β=1时，即切削进给方向与上层纤维一致时出现波谷，β=-1时出现波峰；Z方向切削力与Y方向切削力峰谷异向，即当β=1时出现波峰，β=-1时出现波谷；（4）通过切削力试验得出了切削力的变化规律，即宏观上呈现出周期性、震颤性、单调性，切削力分力Y、Z方向呈现峰谷异向性，研究了切削力对复合材料编织状态的复映规律，发现了切削中的单齿切削现象及其对表面质量的影响；（5）对比了常温和超低温环境下，微细切削芳纶纤维复合材料的表面质量，结果表明，超低温环境可使纤维断裂彻底，避免烧蚀现象，减少刀具磨损，获得较低的表面粗糙度值，Ra最小值可达到1.47μm；发现了芳纶纤维复合材料切削加工后表面特有的白色凝胶现象，初步探索了风冷排屑的工艺方法和基于控形控性技术的刀具优化设计。本研究探索了该材料的结构建模方法和切削工艺现象，揭示了切削断裂机理和切屑形成规律，提出了改进表面质量的工艺方法，推进了芳纶纤维复合材料的二次加工技术，为其进一步应用奠定了试验基础，积累了试验数据和初步的工艺探索。

芳纶纤维复合材料以其轻质、高强、高韧的特性在多个领域具有广阔应用前景，其二次加工多采用切削方法且尺度较小，属微细切削加工，由于对其切削加工表面创成机理研究不够，经常出现加工缺陷，制约了该材料的进一步应用。本申请拟进行如下研究：(1)基于2D编织形态的单胞模型建立芳纶纤维复合材料的三维模型，进行微细切削全过程的ABAQUS仿真，研究其断裂力学特性，通过切屑形态研究其切削性能，进而提出不同阈值的复合材料强度失效准则；(2)进行切削力、热、表面质量的试验研究，探索切削加工缺陷的形成机理和分布规律，优选切削参数减少和避免加工缺陷的产生；针对刀具材料进行适配性摩擦试验，研究切削过程中摩擦磨损及刀具切削效能影响，为揭示表面创成机理奠定基础；(3)优化设计微切削刀具几何刃型使之既保持锋利度，又易于排屑散热，减摩耐磨，结合试验结果对易磨损部位予以强化处理，提出一种微切削刀具几何刃型设计准则和强化方法。

《微细切削技术》是在作者对微细切削技术多年的理论和试验研究基础上写成的。全书共分七章。其中，第1章主要介绍了微细切削技术的研究背景和研究现状；第2章阐述了微细切削区别于常规尺度切削的基础理论，并介绍了微细切削的理论特点；第3章为微细切削模型的建立与研究，主要探讨了微细切削的最小厚度现象以及正交切削模型的相关理论和计算，并进行了相关试验；第4章针对微细切削刀具，总结了微细切削刀具的材料及特点，进行了微成形车刀、铣刀、切槽刀和微小型齿轮滚刀的设计和试验；第5章为典型微小型零件的微细切削工艺研究，总结了微小型结构件的典型特点和工艺要求，按照轴类、板类、齿轮、三维结构件进行分类研究和试验；第6章是微细切削的表面粗糙度试验研究，分别采用单因素、正交和二次曲面响应方法进行了微细车削、铣削、车铣的对比试验研究；第7章对微细切削技术进行了总结与展望。《微细切削技术》主要供有关从事微细切削技术、微小型加工技术、精密制造技术的研究人员参考。

前言

第1章 绪论

1.1 微细切削技术的背景

1.2 微细切削技术发展现状

1.2.1 微小型机床的研究和发展现状

1.2.2 微小型刀具的研究和发展现状

1.2.3 微细切削的试验、建模分析与理论研究概况

1.2.4 微细切削的工艺研究及代表性成果

第2章 微细切削区别于常规尺度切削的基础理论

2.1 概述

2.2 微细切削中的尺度效应

2.2.1 尺度效应的概念

2.2.2 微细切削中尺度效应的作用

2.3 微细切削中的位错理论

2.3.1 工件材料中的位错缺陷

2.3.2 位错理论的提出

2.3.3 微细切削过程的位错理论分析

2.4 非自由切削的定义及最小能量耗散理论

2.4.1 非自由切削的定义

2.4.2 最小能量耗散原理的定义

2.4.3 单元刀具切削下的最小能量耗散原理

2.4.4 最小能量耗散原理的相关检验

2.5 微细切削中的非自由切削

2.5.1 单切削刃刀具的等效切削刃和排屑角

2.5.2 考虑刀尖圆弧半径的等效切削刃和排屑角

2.5.3 非自由度系数及自由切削法

2.6 小结

第3章 微细切削模型的建立与研究

3.1 概述

3.2 微细切削的最小切削厚度

3.2 切削刃弹性回退量的计算

3.2.2 最小切削厚度的范围

3.2.3 最小切削厚度时刀具的负前角及切削力

3.3 微细切削模型的建立

3.3.1 微细切削的切削变形区

3.3.2 微细切削的切削力计算

3.3.3 微细切削的切削力分析

3.4 切削力验证试验

3.5 小结

第4章 微细切削刀具

4.1 概述

4.2 微小型刀具的基本特点

4.3 微细切削刀具材料

4.4 微小型成形车刀

4.4.1 微小型零件的成形车削

4.4.2 微小型成形车刀的设计

4.4.3 微小型成形车刀的应用

4.5 微小型切槽刀

4.6 微小型齿轮成形铣刀

4.6.1 微成形铣削齿轮零件

4.6.2 微小型齿轮铣刀主要结构参数设计

4.6.3 微小型齿轮铣刀齿形的设计计算

4.6.4 微小型齿轮铣刀的制造

4.7 微小型齿轮滚刀

4.7.1 微小型齿轮目标零件

4.7.2 微小型齿轮滚刀结构设计

4.7.3 微小型齿轮滚刀齿形设计与局部结构强度校核

4.7.4 微小型齿轮滚刀的加工

4.8 小结

第5章 典型微小型零件的微细切削工艺研究

5.1 概述

5.2 微细切削加工设备及刀具系统配置

5.3 典型微小型结构件的特点及工艺要求

5.3.1 微小型结构件的特点

5.3.2 微小型结构件的工艺要求

5.4 微小型轴类零件的加工工艺研究

5.4.1 微细轴的车削加工

5.4.2 微细轴的车铣加工

5.4.3 车铣与车削工艺的对比分析

5.5 微小型板类零件的加工工艺研究

5.6 微小型齿轮的加工工艺研究

5.6.1 微小型齿轮加工工艺综述

5.6.2 微小型齿轮的成形铣削加工

5.6.3 微小型齿轮的滚削加工

5.6.4 微小型齿轮的加工工艺对比与总结

5.7 微小型三维结构件的加工工艺研究

5.8 小结

第6章 微细切削的表面粗糙度试验研究

6.1 概述

6.2 试验设计方法概述

6.2.1 单因素试验设计

6.2.2 正交试验设计

6.2.3 响应曲面试验设计

6.3 试验设备与测量仪器

6.4 微细车削表面粗糙度研究

6.4.1 微细车削的理论表面粗糙度

6.4.2 微细车削表面粗糙度的单因素试验

6.4.3 基于正交试验方法的微细车削表面粗糙度试验

6.5 微细铣削表面粗糙度研究

6.5.1 微细铣削表面粗糙度的两种预测模型

6.5.2 微细铣削表面粗糙度的两种试验方案

6.5.3 微细铣削表面粗糙度的试验结果分析

6.6 微细车铣钛合金的表面粗糙度试验研究

6.6.1 微细正交车铣的理论表面粗糙度

6.6.2 基于二次响应曲面法的微细正交车铣表面粗糙度试验

6.6.3 微细正交车铣表面粗糙度试验结果分析

6.7 小结

第7章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 主要创新点

7.3 工作展望

参考文献

本研究以国防工业、宇航工业用微小型结构件加工为应用背景，系统开展微细切削毛刺形成及控制技术研究，主要研究工作及创新性成果为： 1. 基于切削实验，系统揭示出毛刺形成与变化基本规律 在瑞士产五轴加工中心（Mikron UCP800Duro）上，选用硬质合金微细立铣刀切削6061锻铝和铝合金AlSi9Cu3等，研究了切削用量、刀具几何参数、刀面形态等对毛刺形成与变化的影响，发现了毛刺与亏缺形成经历的5个阶段，揭示出毛刺形成与变化的规律。 2.建立微细毛刺形成模型，初步实现了毛刺形成的预报 利用Johnson-Cook (J- C) 强度理论，描述出工件材料Al2024-T6从低应变率到高应变率下的动态行为，进而给出了其高应力、大应变及高温度场条件下的本构关系。采用网格自适应（Arbitrary lagrangian eulerian, ALE）技术对毛刺形成进行模拟，仿真结果与实际加工基本吻合，实现了微细铣削毛刺形成的预报。 3.基于刀具参数和切削路径优化，开发出主动控制毛刺技术 根据微细切削实验与分析，阐述了主动控制毛刺的精度原则、效率原则和位置原则，提出了改进零件结构设计、调整刀具参数、优化加工工艺和切削路径等主动控制毛刺的技术和方法，为实现少无毛刺加工开辟了途径。 4.制定毛刺评价标准（草案），填补了我国制造技术空白 在汲取德国、美国和日本等国标准或规范合理内核的基础上，参照现代机械加工零件表面质量的要求，将毛刺精度分为12级，采用毛刺高度和厚度两个参数综合评价毛刺。依托国家刀具检测技术中心，提出了“切削加工毛刺检测方法”和“毛刺评价方法”2个国家标准(草案) ，填补了我国制造技术的空白。 5.初步构建了基于网络的微细毛刺专家知识系统 基于ASP.NET平台，初步搭建出网络化毛刺专家知识系统，开发出由微细毛刺质量知识库、数据库和规则库组成的毛刺知识专家系统，搭建出毛刺理论研究与工程应用的对接平台，为实现主动控制毛刺提供了技术支撑。 本研究初步建立了微细加工毛刺形成与控制理论，圆满完成了课题研究计划确定的各项任务。