微細(xì)切削芳綸纖維復(fù)合材料表面創(chuàng)成機(jī)理研究項(xiàng)目摘要

芳綸纖維復(fù)合材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌的特性在多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，其二次加工多采用切削方法且尺度較小，屬微細(xì)切削加工，由于對(duì)其切削加工表面創(chuàng)成機(jī)理研究不夠，經(jīng)常出現(xiàn)加工缺陷，制約了該材料的進(jìn)一步應(yīng)用。本申請(qǐng)擬進(jìn)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(fù)合材料的三維模型，進(jìn)行微細(xì)切削全過(guò)程的ABAQUS仿真，研究其斷裂力學(xué)特性，通過(guò)切屑形態(tài)研究其切削性能，進(jìn)而提出不同閾值的復(fù)合材料強(qiáng)度失效準(zhǔn)則；(2)進(jìn)行切削力、熱、表面質(zhì)量的試驗(yàn)研究，探索切削加工缺陷的形成機(jī)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(chǎn)生；針對(duì)刀具材料進(jìn)行適配性摩擦試驗(yàn)，研究切削過(guò)程中摩擦磨損及刀具切削效能影響，為揭示表面創(chuàng)成機(jī)理奠定基礎(chǔ)；(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)易磨損部位予以強(qiáng)化處理，提出一種微切削刀具幾何刃型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和強(qiáng)化方法。

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。

《微細(xì)切削技術(shù)》是在作者對(duì)微細(xì)切削技術(shù)多年的理論和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上寫(xiě)成的。全書(shū)共分七章。其中，第1章主要介紹了微細(xì)切削技術(shù)的研究背景和研究現(xiàn)狀；第2章闡述了微細(xì)切削區(qū)別于常規(guī)尺度切削的基礎(chǔ)理論，并介紹了微細(xì)切削的理論特點(diǎn)；第3章為微細(xì)切削模型的建立與研究，主要探討了微細(xì)切削的最小厚度現(xiàn)象以及正交切削模型的相關(guān)理論和計(jì)算，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)；第4章針對(duì)微細(xì)切削刀具，總結(jié)了微細(xì)切削刀具的材料及特點(diǎn)，進(jìn)行了微成形車(chē)刀、銑刀、切槽刀和微小型齒輪滾刀的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)；第5章為典型微小型零件的微細(xì)切削工藝研究，總結(jié)了微小型結(jié)構(gòu)件的典型特點(diǎn)和工藝要求，按照軸類(lèi)、板類(lèi)、齒輪、三維結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分類(lèi)研究和試驗(yàn)；第6章是微細(xì)切削的表面粗糙度試驗(yàn)研究，分別采用單因素、正交和二次曲面響應(yīng)方法進(jìn)行了微細(xì)車(chē)削、銑削、車(chē)銑的對(duì)比試驗(yàn)研究；第7章對(duì)微細(xì)切削技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與展望?！段⒓?xì)切削技術(shù)》主要供有關(guān)從事微細(xì)切削技術(shù)、微小型加工技術(shù)、精密制造技術(shù)的研究人員參考。

前言

第1章 緒論

1.1 微細(xì)切削技術(shù)的背景

1.2 微細(xì)切削技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 微小型機(jī)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(xì)切削的試驗(yàn)、建模分析與理論研究概況

1.2.4 微細(xì)切削的工藝研究及代表性成果

第2章 微細(xì)切削區(qū)別于常規(guī)尺度切削的基礎(chǔ)理論

2.1 概述

2.2 微細(xì)切削中的尺度效應(yīng)

2.2.1 尺度效應(yīng)的概念

2.2.2 微細(xì)切削中尺度效應(yīng)的作用

2.3 微細(xì)切削中的位錯(cuò)理論

2.3.1 工件材料中的位錯(cuò)缺陷

2.3.2 位錯(cuò)理論的提出

2.3.3 微細(xì)切削過(guò)程的位錯(cuò)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(guān)檢驗(yàn)

2.5 微細(xì)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(jié)

第3章 微細(xì)切削模型的建立與研究

3.1 概述

3.2 微細(xì)切削的最小切削厚度

3.2 切削刃彈性回退量的計(jì)算

3.2.2 最小切削厚度的范圍

3.2.3 最小切削厚度時(shí)刀具的負(fù)前角及切削力

3.3 微細(xì)切削模型的建立

3.3.1 微細(xì)切削的切削變形區(qū)

3.3.2 微細(xì)切削的切削力計(jì)算

3.3.3 微細(xì)切削的切削力分析

3.4 切削力驗(yàn)證試驗(yàn)

3.5 小結(jié)

第4章 微細(xì)切削刀具

4.1 概述

4.2 微小型刀具的基本特點(diǎn)

4.3 微細(xì)切削刀具材料

4.4 微小型成形車(chē)刀

4.4.1 微小型零件的成形車(chē)削

4.4.2 微小型成形車(chē)刀的設(shè)計(jì)

4.4.3 微小型成形車(chē)刀的應(yīng)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(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.6.3 微小型齒輪銑刀齒形的設(shè)計(jì)計(jì)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(biāo)零件

4.7.2 微小型齒輪滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.7.3 微小型齒輪滾刀齒形設(shè)計(jì)與局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

4.7.4 微小型齒輪滾刀的加工

4.8 小結(jié)

第5章 典型微小型零件的微細(xì)切削工藝研究

5.1 概述

5.2 微細(xì)切削加工設(shè)備及刀具系統(tǒng)配置

5.3 典型微小型結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)及工藝要求

5.3.1 微小型結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)

5.3.2 微小型結(jié)構(gòu)件的工藝要求

5.4 微小型軸類(lèi)零件的加工工藝研究

5.4.1 微細(xì)軸的車(chē)削加工

5.4.2 微細(xì)軸的車(chē)銑加工

5.4.3 車(chē)銑與車(chē)削工藝的對(duì)比分析

5.5 微小型板類(lèi)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(duì)比與總結(jié)

5.7 微小型三維結(jié)構(gòu)件的加工工藝研究

5.8 小結(jié)

第6章 微細(xì)切削的表面粗糙度試驗(yàn)研究

6.1 概述

6.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法概述

6.2.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

6.2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

6.2.3 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

6.3 試驗(yàn)設(shè)備與測(cè)量?jī)x器

6.4 微細(xì)車(chē)削表面粗糙度研究

6.4.1 微細(xì)車(chē)削的理論表面粗糙度

6.4.2 微細(xì)車(chē)削表面粗糙度的單因素試驗(yàn)

6.4.3 基于正交試驗(yàn)方法的微細(xì)車(chē)削表面粗糙度試驗(yàn)

6.5 微細(xì)銑削表面粗糙度研究

6.5.1 微細(xì)銑削表面粗糙度的兩種預(yù)測(cè)模型

6.5.2 微細(xì)銑削表面粗糙度的兩種試驗(yàn)方案

6.5.3 微細(xì)銑削表面粗糙度的試驗(yàn)結(jié)果分析

6.6 微細(xì)車(chē)銑鈦合金的表面粗糙度試驗(yàn)研究

6.6.1 微細(xì)正交車(chē)銑的理論表面粗糙度

6.6.2 基于二次響應(yīng)曲面法的微細(xì)正交車(chē)銑表面粗糙度試驗(yàn)

6.6.3 微細(xì)正交車(chē)銑表面粗糙度試驗(yàn)結(jié)果分析

6.7 小結(jié)

第7章 總結(jié)與展望

7.1 全文總結(jié)

7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

7.3 工作展望

參考文獻(xiàn)

本研究以國(guó)防工業(yè)、宇航工業(yè)用微小型結(jié)構(gòu)件加工為應(yīng)用背景，系統(tǒng)開(kāi)展微細(xì)切削毛刺形成及控制技術(shù)研究，主要研究工作及創(chuàng)新性成果為： 1. 基于切削實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)揭示出毛刺形成與變化基本規(guī)律 在瑞士產(chǎn)五軸加工中心（Mikron UCP800Duro）上，選用硬質(zhì)合金微細(xì)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(duì)毛刺形成與變化的影響，發(fā)現(xiàn)了毛刺與虧缺形成經(jīng)歷的5個(gè)階段，揭示出毛刺形成與變化的規(guī)律。 2.建立微細(xì)毛刺形成模型，初步實(shí)現(xiàn)了毛刺形成的預(yù)報(bào) 利用Johnson-Cook (J- C) 強(qiáng)度理論，描述出工件材料Al2024-T6從低應(yīng)變率到高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)行為，進(jìn)而給出了其高應(yīng)力、大應(yīng)變及高溫度場(chǎng)條件下的本構(gòu)關(guān)系。采用網(wǎng)格自適應(yīng)（Arbitrary lagrangian eulerian, ALE）技術(shù)對(duì)毛刺形成進(jìn)行模擬，仿真結(jié)果與實(shí)際加工基本吻合，實(shí)現(xiàn)了微細(xì)銑削毛刺形成的預(yù)報(bào)。 3.基于刀具參數(shù)和切削路徑優(yōu)化，開(kāi)發(fā)出主動(dòng)控制毛刺技術(shù) 根據(jù)微細(xì)切削實(shí)驗(yàn)與分析，闡述了主動(dòng)控制毛刺的精度原則、效率原則和位置原則，提出了改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)整刀具參數(shù)、優(yōu)化加工工藝和切削路徑等主動(dòng)控制毛刺的技術(shù)和方法，為實(shí)現(xiàn)少無(wú)毛刺加工開(kāi)辟了途徑。 4.制定毛刺評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（草案），填補(bǔ)了我國(guó)制造技術(shù)空白 在汲取德國(guó)、美國(guó)和日本等國(guó)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范合理內(nèi)核的基礎(chǔ)上，參照現(xiàn)代機(jī)械加工零件表面質(zhì)量的要求，將毛刺精度分為12級(jí)，采用毛刺高度和厚度兩個(gè)參數(shù)綜合評(píng)價(jià)毛刺。依托國(guó)家刀具檢測(cè)技術(shù)中心，提出了“切削加工毛刺檢測(cè)方法”和“毛刺評(píng)價(jià)方法”2個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(草案) ，填補(bǔ)了我國(guó)制造技術(shù)的空白。 5.初步構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)的微細(xì)毛刺專(zhuān)家知識(shí)系統(tǒng) 基于ASP.NET平臺(tái)，初步搭建出網(wǎng)絡(luò)化毛刺專(zhuān)家知識(shí)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出由微細(xì)毛刺質(zhì)量知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)組成的毛刺知識(shí)專(zhuān)家系統(tǒng)，搭建出毛刺理論研究與工程應(yīng)用的對(duì)接平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制毛刺提供了技術(shù)支撐。 本研究初步建立了微細(xì)加工毛刺形成與控制理論，圓滿(mǎn)完成了課題研究計(jì)劃確定的各項(xiàng)任務(wù)。