微細切削芳綸纖維復合材料表面創(chuàng)成機理研究

芳綸纖維復合材料屬輕質、高強、高韌的新型復合材料，在各領域都有廣泛的用途，但其二次加工易出現(xiàn)缺陷，制約了該材料的進一步應用。本研究旨在揭示該材料的切削斷裂機理，研究避免其加工缺陷的工藝方法，研究內容及其成果主要包含：（1）針對該材料進行微細切削全過程的ABAQUS仿真，基于2D編織形態(tài)的單胞模型建立了芳綸纖維復合材料的三維模型，研究了其斷裂力學特性；（2）通過試驗研究了該材料的切屑形態(tài)即分為絮狀切屑、塊狀切屑、盤絲狀切屑，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，盤絲狀切屑表明切削刃開始出現(xiàn)磨損；（3）定義了該材料瞬時切削狀態(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。試驗表明X方向切削力隨α單調增減，與β無關；Y方向切削力與纖維方向系數(shù)β相關，當β=1時，即切削進給方向與上層纖維一致時出現(xiàn)波谷，β=-1時出現(xiàn)波峰；Z方向切削力與Y方向切削力峰谷異向，即當β=1時出現(xiàn)波峰，β=-1時出現(xiàn)波谷；（4）通過切削力試驗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，研究了切削力對復合材料編織狀態(tài)的復映規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了切削中的單齒切削現(xiàn)象及其對表面質量的影響；（5）對比了常溫和超低溫環(huán)境下，微細切削芳綸纖維復合材料的表面質量，結果表明，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最小值可達到1.47μm；發(fā)現(xiàn)了芳綸纖維復合材料切削加工后表面特有的白色凝膠現(xiàn)象，初步探索了風冷排屑的工藝方法和基于控形控性技術的刀具優(yōu)化設計。本研究探索了該材料的結構建模方法和切削工藝現(xiàn)象，揭示了切削斷裂機理和切屑形成規(guī)律，提出了改進表面質量的工藝方法，推進了芳綸纖維復合材料的二次加工技術，為其進一步應用奠定了試驗基礎，積累了試驗數(shù)據(jù)和初步的工藝探索。

芳綸纖維復合材料以其輕質、高強、高韌的特性在多個領域具有廣闊應用前景，其二次加工多采用切削方法且尺度較小，屬微細切削加工，由于對其切削加工表面創(chuàng)成機理研究不夠，經常出現(xiàn)加工缺陷，制約了該材料的進一步應用。本申請擬進行如下研究：(1)基于2D編織形態(tài)的單胞模型建立芳綸纖維復合材料的三維模型，進行微細切削全過程的ABAQUS仿真，研究其斷裂力學特性，通過切屑形態(tài)研究其切削性能，進而提出不同閾值的復合材料強度失效準則；(2)進行切削力、熱、表面質量的試驗研究，探索切削加工缺陷的形成機理和分布規(guī)律，優(yōu)選切削參數(shù)減少和避免加工缺陷的產生；針對刀具材料進行適配性摩擦試驗，研究切削過程中摩擦磨損及刀具切削效能影響，為揭示表面創(chuàng)成機理奠定基礎；(3)優(yōu)化設計微切削刀具幾何刃型使之既保持鋒利度，又易于排屑散熱，減摩耐磨，結合試驗結果對易磨損部位予以強化處理，提出一種微切削刀具幾何刃型設計準則和強化方法。

《微細切削技術》是在作者對微細切削技術多年的理論和試驗研究基礎上寫成的。全書共分七章。其中，第1章主要介紹了微細切削技術的研究背景和研究現(xiàn)狀；第2章闡述了微細切削區(qū)別于常規(guī)尺度切削的基礎理論，并介紹了微細切削的理論特點；第3章為微細切削模型的建立與研究，主要探討了微細切削的最小厚度現(xiàn)象以及正交切削模型的相關理論和計算，并進行了相關試驗；第4章針對微細切削刀具，總結了微細切削刀具的材料及特點，進行了微成形車刀、銑刀、切槽刀和微小型齒輪滾刀的設計和試驗；第5章為典型微小型零件的微細切削工藝研究，總結了微小型結構件的典型特點和工藝要求，按照軸類、板類、齒輪、三維結構件進行分類研究和試驗；第6章是微細切削的表面粗糙度試驗研究，分別采用單因素、正交和二次曲面響應方法進行了微細車削、銑削、車銑的對比試驗研究；第7章對微細切削技術進行了總結與展望?！段⒓毲邢骷夹g》主要供有關從事微細切削技術、微小型加工技術、精密制造技術的研究人員參考。

前言

第1章 緒論

1.1 微細切削技術的背景

1.2 微細切削技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 微小型機床的研究和發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.2 微小型刀具的研究和發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.3 微細切削的試驗、建模分析與理論研究概況

1.2.4 微細切削的工藝研究及代表性成果

第2章 微細切削區(qū)別于常規(guī)尺度切削的基礎理論

2.1 概述

2.2 微細切削中的尺度效應

2.2.1 尺度效應的概念

2.2.2 微細切削中尺度效應的作用

2.3 微細切削中的位錯理論

2.3.1 工件材料中的位錯缺陷

2.3.2 位錯理論的提出

2.3.3 微細切削過程的位錯理論分析

2.4 非自由切削的定義及最小能量耗散理論

2.4.1 非自由切削的定義

2.4.2 最小能量耗散原理的定義

2.4.3 單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關檢驗

2.5 微細切削中的非自由切削

2.5.1 單切削刃刀具的等效切削刃和排屑角

2.5.2 考慮刀尖圓弧半徑的等效切削刃和排屑角

2.5.3 非自由度系數(shù)及自由切削法

2.6 小結

第3章 微細切削模型的建立與研究

3.1 概述

3.2 微細切削的最小切削厚度

3.2 切削刃彈性回退量的計算

3.2.2 最小切削厚度的范圍

3.2.3 最小切削厚度時刀具的負前角及切削力

3.3 微細切削模型的建立

3.3.1 微細切削的切削變形區(qū)

3.3.2 微細切削的切削力計算

3.3.3 微細切削的切削力分析

3.4 切削力驗證試驗

3.5 小結

第4章 微細切削刀具

4.1 概述

4.2 微小型刀具的基本特點

4.3 微細切削刀具材料

4.4 微小型成形車刀

4.4.1 微小型零件的成形車削

4.4.2 微小型成形車刀的設計

4.4.3 微小型成形車刀的應用

4.5 微小型切槽刀

4.6 微小型齒輪成形銑刀

4.6.1 微成形銑削齒輪零件

4.6.2 微小型齒輪銑刀主要結構參數(shù)設計

4.6.3 微小型齒輪銑刀齒形的設計計算

4.6.4 微小型齒輪銑刀的制造

4.7 微小型齒輪滾刀

4.7.1 微小型齒輪目標零件

4.7.2 微小型齒輪滾刀結構設計

4.7.3 微小型齒輪滾刀齒形設計與局部結構強度校核

4.7.4 微小型齒輪滾刀的加工

4.8 小結

第5章 典型微小型零件的微細切削工藝研究

5.1 概述

5.2 微細切削加工設備及刀具系統(tǒng)配置

5.3 典型微小型結構件的特點及工藝要求

5.3.1 微小型結構件的特點

5.3.2 微小型結構件的工藝要求

5.4 微小型軸類零件的加工工藝研究

5.4.1 微細軸的車削加工

5.4.2 微細軸的車銑加工

5.4.3 車銑與車削工藝的對比分析

5.5 微小型板類零件的加工工藝研究

5.6 微小型齒輪的加工工藝研究

5.6.1 微小型齒輪加工工藝綜述

5.6.2 微小型齒輪的成形銑削加工

5.6.3 微小型齒輪的滾削加工

5.6.4 微小型齒輪的加工工藝對比與總結

5.7 微小型三維結構件的加工工藝研究

5.8 小結

第6章 微細切削的表面粗糙度試驗研究

6.1 概述

6.2 試驗設計方法概述

6.2.1 單因素試驗設計

6.2.2 正交試驗設計

6.2.3 響應曲面試驗設計

6.3 試驗設備與測量儀器

6.4 微細車削表面粗糙度研究

6.4.1 微細車削的理論表面粗糙度

6.4.2 微細車削表面粗糙度的單因素試驗

6.4.3 基于正交試驗方法的微細車削表面粗糙度試驗

6.5 微細銑削表面粗糙度研究

6.5.1 微細銑削表面粗糙度的兩種預測模型

6.5.2 微細銑削表面粗糙度的兩種試驗方案

6.5.3 微細銑削表面粗糙度的試驗結果分析

6.6 微細車銑鈦合金的表面粗糙度試驗研究

6.6.1 微細正交車銑的理論表面粗糙度

6.6.2 基于二次響應曲面法的微細正交車銑表面粗糙度試驗

6.6.3 微細正交車銑表面粗糙度試驗結果分析

6.7 小結

第7章 總結與展望

7.1 全文總結

7.2 主要創(chuàng)新點

7.3 工作展望

參考文獻

本研究以國防工業(yè)、宇航工業(yè)用微小型結構件加工為應用背景，系統(tǒng)開展微細切削毛刺形成及控制技術研究，主要研究工作及創(chuàng)新性成果為： 1. 基于切削實驗，系統(tǒng)揭示出毛刺形成與變化基本規(guī)律 在瑞士產五軸加工中心（Mikron UCP800Duro）上，選用硬質合金微細立銑刀切削6061鍛鋁和鋁合金AlSi9Cu3等，研究了切削用量、刀具幾何參數(shù)、刀面形態(tài)等對毛刺形成與變化的影響，發(fā)現(xiàn)了毛刺與虧缺形成經歷的5個階段，揭示出毛刺形成與變化的規(guī)律。 2.建立微細毛刺形成模型，初步實現(xiàn)了毛刺形成的預報 利用Johnson-Cook (J- C) 強度理論，描述出工件材料Al2024-T6從低應變率到高應變率下的動態(tài)行為，進而給出了其高應力、大應變及高溫度場條件下的本構關系。采用網(wǎng)格自適應（Arbitrary lagrangian eulerian, ALE）技術對毛刺形成進行模擬，仿真結果與實際加工基本吻合，實現(xiàn)了微細銑削毛刺形成的預報。 3.基于刀具參數(shù)和切削路徑優(yōu)化，開發(fā)出主動控制毛刺技術 根據(jù)微細切削實驗與分析，闡述了主動控制毛刺的精度原則、效率原則和位置原則，提出了改進零件結構設計、調整刀具參數(shù)、優(yōu)化加工工藝和切削路徑等主動控制毛刺的技術和方法，為實現(xiàn)少無毛刺加工開辟了途徑。 4.制定毛刺評價標準（草案），填補了我國制造技術空白 在汲取德國、美國和日本等國標準或規(guī)范合理內核的基礎上，參照現(xiàn)代機械加工零件表面質量的要求，將毛刺精度分為12級，采用毛刺高度和厚度兩個參數(shù)綜合評價毛刺。依托國家刀具檢測技術中心，提出了“切削加工毛刺檢測方法”和“毛刺評價方法”2個國家標準(草案) ，填補了我國制造技術的空白。 5.初步構建了基于網(wǎng)絡的微細毛刺專家知識系統(tǒng) 基于ASP.NET平臺，初步搭建出網(wǎng)絡化毛刺專家知識系統(tǒng)，開發(fā)出由微細毛刺質量知識庫、數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫組成的毛刺知識專家系統(tǒng)，搭建出毛刺理論研究與工程應用的對接平臺，為實現(xiàn)主動控制毛刺提供了技術支撐。 本研究初步建立了微細加工毛刺形成與控制理論，圓滿完成了課題研究計劃確定的各項任務。