芳綸蜂窩材料超聲復(fù)合加工機(jī)理及工藝優(yōu)化研究項(xiàng)目摘要

芳綸蜂窩材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，在航空、航天、軍工、交通等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其正交各向異性的力學(xué)特性，使傳統(tǒng)的高速銑削加工難以保證制件加工質(zhì)量和加工效率。本項(xiàng)目以芳綸蜂窩材料超聲切割為研究對(duì)象，圍繞多胞正交各向異性材料的沖擊斷裂機(jī)理、超聲復(fù)合加工模式下切屑變形規(guī)律和變形過(guò)程模型、超聲振動(dòng)刀具與切屑之間的摩擦規(guī)律以及超聲振動(dòng)刀具和材料之間動(dòng)力學(xué)模型建立等科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究，綜合運(yùn)用材料學(xué)、力學(xué)、摩擦學(xué)、機(jī)械學(xué)等理論，通過(guò)理論建模、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，建立芳綸蜂窩材料沖擊斷裂本構(gòu)模型，揭示芳綸蜂窩材料超聲復(fù)合加工機(jī)理，提出刀具切削運(yùn)動(dòng)最佳的超聲振型復(fù)合模式，優(yōu)化超聲加工工藝和工藝參數(shù)，對(duì)豐富超聲加工理論和快速發(fā)展超聲復(fù)合加工技術(shù)具有重要理論意義，對(duì)提升芳綸蜂窩材料的加工水平具有重要技術(shù)支撐作用，對(duì)豐富其他多胞材料的加工方法具有一定借鑒意義。

芳綸蜂窩材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，在航空、航天、軍工、交通等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其正交各向異性的力學(xué)特性和非連續(xù)的材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使傳統(tǒng)的高速銑削加工難以保證結(jié)構(gòu)件加工質(zhì)量和加工效率。項(xiàng)目以芳綸蜂窩材料超聲切割為研究對(duì)象，通過(guò)理論建模、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，圍繞蜂窩材料的彈塑性本構(gòu)模型建立、蜂窩材料的超聲切割機(jī)理、切削熱對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)性能影響、切削過(guò)程仿真技術(shù)和基于切削機(jī)理的工藝優(yōu)化等內(nèi)容開(kāi)展研究。具體研究?jī)?nèi)容和成果包括： 1）根據(jù)芳綸蜂窩材料的結(jié)構(gòu)特性和蜂窩芯零件曲面加工的特點(diǎn)，對(duì)材料進(jìn)行均質(zhì)化等效處理，在正交各向異性材料的本構(gòu)模型基礎(chǔ)上建立任意切割平面上蜂窩材料的等效彈塑性本構(gòu)模型。 2）以尖形刀超聲切割工藝為基礎(chǔ)，分析超聲縱振模式下尖形刀運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，基于斷裂力學(xué)研究芳綸蜂窩復(fù)合材料的超聲切割機(jī)理，為超聲切割加工工藝參數(shù)的優(yōu)化和超聲波聲學(xué)主軸的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 3）分析了超聲切割熱源的產(chǎn)生原因，對(duì)芳綸蜂窩復(fù)合材料超聲切割熱的產(chǎn)生機(jī)理及傳導(dǎo)特點(diǎn)進(jìn)行理論分析，建立超聲切割熱理論模型；在分析超聲切割溫度與超聲切割系統(tǒng)振幅之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立超聲切割溫度與超聲系統(tǒng)中振幅關(guān)系的理論模型。 4）以材料建模、材料失效方式以及摩擦特性等方面作為重點(diǎn)開(kāi)展蜂窩材料超聲切削過(guò)程數(shù)字仿真研究，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較表明，蜂窩材料采用等效實(shí)體模型的切削過(guò)程仿真能夠滿足工藝參數(shù)優(yōu)化的需求，采用結(jié)構(gòu)模型可以真實(shí)體現(xiàn)刀具上負(fù)載情況和蜂窩材料的切削變形過(guò)程。 項(xiàng)目研究對(duì)豐富超聲加工理論和快速發(fā)展超聲復(fù)合加工技術(shù)具有重要理論意義，對(duì)提升芳綸蜂窩材料的加工水平具有重要技術(shù)支撐作用，對(duì)豐富其他多胞材料的加工方法具有一定借鑒意義。基于項(xiàng)目研究工作研制的超聲切削主軸已經(jīng)在企業(yè)得到工程應(yīng)用。

從超聲降解有機(jī)物和超聲處理廢水的機(jī)理研究著手，探討物理、化學(xué)條件以及聲化學(xué)反應(yīng)器的參數(shù)對(duì)降解（處理）效果的影響，明確聲空化分布的規(guī)律。結(jié)合我校承擔(dān)的水處理工程，進(jìn)行聲化學(xué)反應(yīng)器的參數(shù)優(yōu)化及機(jī)理研究。對(duì)具有均勻聲場(chǎng)的大容量超聲水處理反應(yīng)器分別基于聲學(xué)、電學(xué)、化學(xué)、機(jī)械等條件進(jìn)行試驗(yàn)，研制基本符合大容量高效的聲化學(xué)反應(yīng)器。并使用研制出的聲化學(xué)反應(yīng)器以典型的有機(jī)物水溶液和實(shí)際工程中的污水為研究對(duì)象，在多種條件下，進(jìn)行超聲/臭氧協(xié)同作用降解有機(jī)物試驗(yàn)。利用紫外光譜儀作定波長(zhǎng)掃描、循環(huán)狀態(tài)動(dòng)態(tài)測(cè)試，并利用電導(dǎo)儀等儀器來(lái)追蹤空化進(jìn)度。結(jié)合有機(jī)物降解情況，找出可使超聲快速高效降解水中有機(jī)污染物的物理和化學(xué)條件。為解決聲化學(xué)遲遲不能在工業(yè)上推廣的瓶頸問(wèn)題（缺少高效的聲化學(xué)反應(yīng)器）奠定研制與生產(chǎn)的基礎(chǔ)；為更深入地了解超聲及其聯(lián)合技術(shù)降解水中有機(jī)物的機(jī)理進(jìn)行基礎(chǔ)性研究以及為這一技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用做科學(xué)儲(chǔ)備。 2100433B

芳綸纖維復(fù)合材料屬輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌的新型復(fù)合材料，在各領(lǐng)域都有廣泛的用途，但其二次加工易出現(xiàn)缺陷，制約了該材料的進(jìn)一步應(yīng)用。本研究旨在揭示該材料的切削斷裂機(jī)理，研究避免其加工缺陷的工藝方法，研究?jī)?nèi)容及其成果主要包含：（1）針對(duì)該材料進(jìn)行微細(xì)切削全過(guò)程的ABAQUS仿真，基于2D編織形態(tài)的單胞模型建立了芳綸纖維復(fù)合材料的三維模型，研究了其斷裂力學(xué)特性；（2）通過(guò)試驗(yàn)研究了該材料的切屑形態(tài)即分為絮狀切屑、塊狀切屑、盤(pán)絲狀切屑，絮狀切屑是切削狀態(tài)良好的一種切屑，塊狀切屑出現(xiàn)在低速切削和切削條件惡化的情況下，盤(pán)絲狀切屑表明切削刃開(kāi)始出現(xiàn)磨損；（3）定義了該材料瞬時(shí)切削狀態(tài)比α、纖維方向系數(shù)β、切削方向角γ，并研究了切削力隨上述參數(shù)的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)表明X方向切削力隨α單調(diào)增減，與β無(wú)關(guān)；Y方向切削力與纖維方向系數(shù)β相關(guān)，當(dāng)β=1時(shí)，即切削進(jìn)給方向與上層纖維一致時(shí)出現(xiàn)波谷，β=-1時(shí)出現(xiàn)波峰；Z方向切削力與Y方向切削力峰谷異向，即當(dāng)β=1時(shí)出現(xiàn)波峰，β=-1時(shí)出現(xiàn)波谷；（4）通過(guò)切削力試驗(yàn)得出了切削力的變化規(guī)律，即宏觀上呈現(xiàn)出周期性、震顫性、單調(diào)性，切削力分力Y、Z方向呈現(xiàn)峰谷異向性，研究了切削力對(duì)復(fù)合材料編織狀態(tài)的復(fù)映規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了切削中的單齒切削現(xiàn)象及其對(duì)表面質(zhì)量的影響；（5）對(duì)比了常溫和超低溫環(huán)境下，微細(xì)切削芳綸纖維復(fù)合材料的表面質(zhì)量，結(jié)果表明，超低溫環(huán)境可使纖維斷裂徹底，避免燒蝕現(xiàn)象，減少刀具磨損，獲得較低的表面粗糙度值，Ra最小值可達(dá)到1.47μm；發(fā)現(xiàn)了芳綸纖維復(fù)合材料切削加工后表面特有的白色凝膠現(xiàn)象，初步探索了風(fēng)冷排屑的工藝方法和基于控形控性技術(shù)的刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)。本研究探索了該材料的結(jié)構(gòu)建模方法和切削工藝現(xiàn)象，揭示了切削斷裂機(jī)理和切屑形成規(guī)律，提出了改進(jìn)表面質(zhì)量的工藝方法，推進(jìn)了芳綸纖維復(fù)合材料的二次加工技術(shù)，為其進(jìn)一步應(yīng)用奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)，積累了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和初步的工藝探索。