CN110722401A - 一种倒角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种倒角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法，属于复合材料加工技术领域。该方法在实施过程中首先对倒角刀具几何尺寸及形状轮廓数据进行测量，并建立刀具‑工件轮廓几何模型，在此基础上计算纤维排布面内倒角刀具楔角，结合切出侧纤维方向角建立纤维排布面内刀具‑纤维相互作用几何模型，在此基础上确定未断裂纤维首次发生断裂的位置并计算毛刺长度。本方法根据纤维增强复合材料毛刺产生机理，建立倒角刀具加工纤维增强复合材料产生毛刺长度的预测模型，方法涉及内容全面、完整，易于操作。

Description

一种倒角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法

技术领域

本发明属于复合材料加工技术领域，具体地说是一种倒角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法。

背景技术

复合材料是由两种或多种材料通过复合工艺组合而成的新型材料，既能保留原有组分的主要特色，又可通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联而协同，从而获得原材料不具备的优越性能，具有比强度、比刚度高和耐高温等优点，在航空航天、能源、化工等领域获得了广泛的应用。纤维增强复合材料是一种典型的复合材料，以纤维作为增强相，金属、陶瓷或聚合物树脂作为基体相，是应用较为广泛的复合材料。

纤维增强复合材料具有典型的各向异性，在不同方向力学性能差异较大，通常将纤维交错制成层合板使用，可获得较为理想的力学及服役性能。但纤维增强复合材料构件一般无法直接成型，构件毛坯需要开展二次机械加工使构件获得符合设计要求的尺寸及精度。由于复合材料的各项异性及纤维-基体交界面强度较低，在加工过程中增强相与基体相交替去除，且去除过程不稳定，易出现刀具磨损严重，已加工表面缺陷等问题，严重影响加工成本及构件的使用性能及使用寿命。

为增加刀具强度，提高刀具寿命，常在刀具端面及侧面过渡处设置一倒角，该措施虽能在一定程度上提高刀具寿命，但无法对复合材料已加工表面缺陷进行抑制。毛刺是一种典型的已加工缺陷，其产生机理为加工过程中纤维在切削力的作用下让刀变形而未发生断裂，在加工完成后从已加工表面突出，过长的毛刺会影响装配质量，降低装配的可靠性，若使用过程中毛刺发生断裂后进入一些重要结构中，会影响机构的使用性能，甚至引发危险造成重大安全事故。因此，建立毛刺尺寸相关模型，对不同工艺条件下的毛刺长度进行预测，有利于工艺参数的选择及毛刺尺寸的控制，保证工件加工质量。

目前已有关于毛刺尺寸预测相关模型，如文献Hintze W,Hartmann D,SchütteC.Occurrence and propagation of delamination during the machining of carbonfibre reinforced plastics(CFRPs)–An experimental study[J].Composites Scienceand Technology,2011,71(15):1719-1726.及文献Hintze W,Brügmann F.Influence ofcurved workpiece contours on delamination during end milling of FRP[J].Procedia CIRP,2017,62:62-67.但上述模型只考虑了刀具轴线垂直于纤维排布面的情况，当刀具轴线平行于纤维排布面时上述模型已经不适用。为解决上述问题，本发明基于纤维增强复合材料加工过程中的纤维断裂机理，并考虑刀具倒角对纤维断裂过程的影响，建立刀具轴线平行于纤维排布面加工条件下的毛刺长度预测模型，可在小批量实验的基础上掌握纤维增强复合材料加工特点，大幅节省实验过程中的刀具及材料成本，有利于复合材料已加工表面质量控制，为纤维增强复合材料高质高效加工提供技术支撑。

发明内容

本发明的目的是针对纤维增强复合材料的加工过程中的毛刺缺陷，提出一种已加工表面毛刺长度预测方法，该发明能够有效预测倒角刀具加工纤维增强复合材料时，刀具轴向平行于纤维排布面工况下的毛刺长度，为已加工表面质量控制提供技术基础，同时节约复合材料构件制造成本。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种倒角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法，具有如下步骤：

对倒角刀具几何尺寸及形状轮廓数据进行测量；

基于倒角刀具与待加工工件相对位置关系，建立刀具-工件轮廓几何模型，并定义倒角刀具的切出角度φ对刀具-工件轮廓几何模型中的刀具-工件相对位置关系进行描述，其中，规定切出角度φ为锐角；

基于切出角度φ及倒角刀具几何尺寸及形状轮廓数据测量值对纤维排布面内倒角刀具楔角β′进行计算，结合切出侧纤维方向角θ建立纤维排布面内刀具-纤维相互作用几何模型，确定未断裂纤维首次发生断裂的位置；

基于未断裂纤维首次发生断裂的位置，结合切出侧纤维方向角θ及倒角刀具的轴向切削深度a_p对倒角刀具加工待加工工件的最大理论毛刺长度l_b进行计算，并记l_b为毛刺长度预测值。

所述倒角刀具与待加工工件相对位置关系，指的是：

在加工过程中，倒角刀具轴线平行于待加工工件的纤维排布面：

当待加工工件为平面构件时，其纤维排布面为重合于平面构件切出壁平面；

当待加工工件为曲面构件时，其纤维排布面为曲面构件切出壁切平面，该切平面过切出点；

所述建立刀具-工件轮廓几何模型，指的是：

沿倒角刀具轴向投影，则倒角刀具轮廓为圆，待加工工件切出壁轮廓为一曲线，切削过程中两者为相交关系，得到刀具-工件轮廓几何模型；

所述切出角度φ，为：

切出点倒角刀具切削方向与待加工工件切出壁轮廓夹角；

当待加工工件的切出壁为直线时，所述切出角度φ为切出点刀具切削方向与待加工工件切出壁夹角；

当待加工工件的切出壁为曲线时，所述切出角度φ为切出点刀具切削方向与待加工工件切出壁轮廓切线的夹角，该切线过切出点；

且，所述切出角度φ满足以下公式：

其中：l为倒角刀具轴线距离待加工工件切出壁或切出壁轮廓切线距离，r_s为倒角刀具端面半径。

所述纤维排布面内倒角刀具切削楔角β′的计算过程如下：

根据倒角刀具几何尺寸及形状轮廓测量值，记刀具倒角为β，刀具倒角长度为b_∈，其中，刀具倒角为过倒角刀具轴线剖面内，刀具端面轮廓线与与之相邻的倒角斜面轮廓线之间的夹角，取倒角刀具实体一侧数据，刀具倒角长度为过倒角刀具轴线剖面内倒角斜面轮廓线长度；

基于切出角度φ，结合刀具倒角β、及刀具端面半径r_s对纤维排布面内切削楔角β′进行计算：

当刀具倒角β为锐角时，纤维排布面内倒角刀具楔角β′为：

当刀具倒角β为钝角时，纤维排布面内倒角刀具楔角β′为：

所述切出侧纤维方向角θ为倒角刀具进给方向逆时针旋转至与纤维方向平行所转过的角度；

记端面拐点为纤维排布面内刀具端面轮廓线与倒角斜面轮廓线交点，记侧面拐点为纤维排布面内刀具侧面轮廓线与倒角斜面轮廓线交点；

所述建立纤维排布面内刀具-纤维相互作用几何模型，确定未断裂纤维首次发生断裂的位置，指的是：

a、当β′<(π-θ)时，未断裂纤维首先与端面拐点相接触，未断裂纤维首次在端面拐点发生断裂；

b、当β′≥(π-θ)时，未断裂纤维首先与侧面拐点相接触，未断裂纤维首先在侧面拐点发生断裂。

当未断裂纤维首次在端面拐点发生断裂时，理论毛刺最大长度l_b为：

l_b＝0

当未断裂纤维首先在侧面拐点发生断裂时，且倒角刀具的轴向切削深度a_p较大时，即a_p≥b_∈·sinβ时，最大理论毛刺长度l_b为：

当未断裂纤维首先在侧面拐点发生断裂时，且倒角刀具的轴向切削深度a_p较小时，即a_p<b_∈·sinβ时，最大理论毛刺长度l_b为：

本发明的有益效果为：纤维增强复合材料在加工过程中存在毛刺缺陷，严重影响构件的使用性能，本发明提出的毛刺长度预测方法基于切削平面内切削楔角与未断裂纤维相互作用几何模型，可在小批量实验的基础上掌握纤维增强复合材料加工缺陷特点，大幅节省实验过程中的刀具及材料成本，同时可补充完善不同工况下毛刺长度预测模型体系，同时可为加工刀具设计提供基础，有利于复合材料已加工表面质量控制，为复合材料高质高效加工提供技术支撑。

基于上述理由本发明可在复合材料加工技术等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为刀具-工件轮廓几何模型。

图2为刀具倒角为锐角时倒角刀具-纤维相互作用几何模型。

图3为刀具倒角为钝角时倒角刀具-纤维相互作用几何模型。

图4为倒角砂轮几何形状相关尺寸示意图。

图5为倒角刀具加工纤维增强复合材料时，不同工艺参数条件下已加工表面毛刺实验值与本发明预测值对比折线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种倒角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法，具有如下步骤：

对倒角刀具几何尺寸及形状轮廓数据进行测量；

基于倒角刀具与待加工工件相对位置关系，建立刀具-工件轮廓几何模型，并定义倒角刀具的切出角度φ对刀具-工件轮廓几何模型中的刀具-工件相对位置关系进行描述，其中，规定切出角度φ为锐角；

所述倒角刀具与待加工工件相对位置关系，指的是：

在加工过程中，倒角刀具轴线平行于待加工工件的纤维排布面：

当待加工工件为平面构件时，其纤维排布面为重合于平面构件切出壁平面；当待加工工件为平面构件时，刀具-工件轮廓几何模型，如图1所示，图中f为进给量，用于表示进给方向，结合刀具旋转方向，可确定切出点位置。

当待加工工件为曲面构件时，其纤维排布面为曲面构件切出壁切平面，该切平面过切出点；

所述建立刀具-工件轮廓几何模型，指的是：

沿倒角刀具轴向投影，则倒角刀具轮廓为圆，待加工工件切出壁轮廓为一曲线，切削过程中两者为相交关系，得到刀具-工件轮廓几何模型；

所述切出角度φ，为：

切出点倒角刀具切削方向与待加工工件切出壁轮廓夹角；

当待加工工件的切出壁为直线时，所述切出角度φ为切出点刀具切削方向与待加工工件切出壁夹角；

当待加工工件的切出壁为曲线时，所述切出角度φ为切出点刀具切削方向与待加工工件切出壁轮廓切线的夹角，该切线过切出点；

且，所述切出角度φ满足以下公式：

其中：l为倒角刀具轴线距离待加工工件切出壁或切出壁轮廓切线距离，r_s为倒角刀具端面半径。

基于切出角度φ及倒角刀具几何尺寸及形状轮廓数据测量值对纤维排布面内倒角刀具楔角β′进行计算，结合切出侧纤维方向角θ建立纤维排布面内刀具-纤维相互作用几何模型，确定未断裂纤维首次发生断裂的位置；

所述纤维排布面内倒角刀具切削楔角β′的计算过程如下：

根据倒角刀具几何尺寸及形状轮廓测量值，记刀具倒角为β，刀具倒角长度为b_∈，其中，刀具倒角为过倒角刀具轴线剖面内，刀具端面轮廓线与与之相邻的倒角斜面轮廓线之间的夹角，取倒角刀具实体一侧数据，刀具倒角长度为过倒角刀具轴线剖面内倒角斜面轮廓线长度；

基于切出角度φ，结合刀具倒角β、及刀具端面半径r_s对纤维排布面内切削楔角β′进行计算：

如图2所示，当刀具倒角β为锐角时，纤维排布面内倒角刀具楔角β′为：

如图3所示，当刀具倒角β为钝角时，纤维排布面内倒角刀具楔角β′为：

随着切出角度φ的逐渐趋近于0°，切削楔角β′趋于90°；

所述切出侧纤维方向角θ为倒角刀具进给方向逆时针旋转至与纤维方向平行所转过的角度；

记端面拐点为纤维排布面内刀具端面轮廓线与倒角斜面轮廓线交点，记侧面拐点为纤维排布面内刀具侧面轮廓线与倒角斜面轮廓线交点；

所述建立纤维排布面内刀具-纤维相互作用几何模型，确定未断裂纤维首次发生断裂的位置，指的是：

a、当β′<(π-θ)时，未断裂纤维首先与端面拐点相接触，未断裂纤维首次在端面拐点发生断裂；

b、当β′≥(π-θ)时，未断裂纤维首先与侧面拐点相接触，未断裂纤维首先在侧面拐点发生断裂。

基于未断裂纤维首次发生断裂的位置，结合切出侧纤维方向角θ及倒角刀具的轴向切削深度a_p对倒角刀具加工待加工工件的最大理论毛刺长度l_b进行计算，并记l_b为毛刺长度预测值：

当未断裂纤维首次在端面拐点发生断裂时，理论毛刺最大长度l_b为：

l_b＝0

当未断裂纤维首先在侧面拐点发生断裂时，且倒角刀具的轴向切削深度a_p较大时，即a_p≥b_∈·sinβ时，最大理论毛刺长度l_b为：

当未断裂纤维首先在侧面拐点发生断裂时，且倒角刀具的轴向切削深度a_p较小时，即a_p<b_∈·sinβ时，最大理论毛刺长度l_b为：

实施例1

本实施例使用砂轮开展实验，即倒角刀具为带有倒角的砂轮，对本发明方法进一步说明并验证其可靠性。

一种倒角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法，具有如下步骤：

第一步：测量倒角砂轮的倒角角度β、倒角长度b_∈及砂轮端面半径r_s，图4为倒角砂轮几何形状相关尺寸示意图。测量得倒角砂轮的倒角角度β＝132°，倒角长度b_∈＝1.5mm，砂轮端面半径r_s为20mm。

第二步：建立刀具-工件轮廓几何模型，并根据切出角度φ计算结果进行单因素实验设置，单因素实验参数表如表1所示。本实施例利用USN7500预浸料制成的碳纤维增强复合材料层压板开展端面磨削实验，其中预浸料共铺设4层，总厚度为0.4mm，相邻两层纤维方向交叉90°，切出侧纤维方向角θ为45°。使用倒角砂轮开展单因素实验，实验过程中的砂轮线速度为125m/min，进给速度为500mm/min，轴向磨削深度为3mm，大于砂轮倒角在轴线方向尺寸。

表1

第三步，建立纤维排布面内刀具-纤维相互作用几何模型，确定未断裂纤维首次发生断裂的位置，计算最大理论毛刺长度。根据计算结果，当切出角度φ为60°时，切削平面内切削楔角β′近似于(π-θ)。则当φ<60°时，β′>(π-θ)，纤维首先从端面拐点断裂，此时毛刺长度：

l_b＝0

当φ≥60°时，β′≤(π-θ)，纤维首先从侧面拐点断裂，此时毛刺长度：

毛刺长度实验值及理论值对比如图5所示。

由上述实施例结果可知，该发明提出的倒角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法可以较为准确的预测加工过程中的毛刺长度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种倒角刀具加工纤维增强复合材料毛刺长度预测方法，其特征在于具有如下步骤：

对倒角刀具几何尺寸及形状轮廓数据进行测量；

基于倒角刀具与待加工工件相对位置关系，建立刀具-工件轮廓几何模型，并定义倒角刀具的切出角度φ对刀具-工件轮廓几何模型中的刀具-工件相对位置关系进行描述，其中，规定切出角度φ为锐角；

基于切出角度φ及倒角刀具几何尺寸及形状轮廓数据测量值对纤维排布面内倒角刀具楔角β′进行计算，结合切出侧纤维方向角θ建立纤维排布面内刀具-纤维相互作用几何模型，确定未断裂纤维首次发生断裂的位置；

基于未断裂纤维首次发生断裂的位置，结合切出侧纤维方向角θ及倒角刀具的轴向切削深度a_p对倒角刀具加工待加工工件的最大理论毛刺长度l_b进行计算，并记l_b为毛刺长度预测值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述倒角刀具与待加工工件相对位置关系，指的是：

在加工过程中，倒角刀具轴线平行于待加工工件的纤维排布面：

当待加工工件为平面构件时，其纤维排布面为重合于平面构件切出壁平面；

当待加工工件为曲面构件时，其纤维排布面为曲面构件切出壁切平面，该切平面过切出点；

所述建立刀具-工件轮廓几何模型，指的是：

沿倒角刀具轴向投影，则倒角刀具轮廓为圆，待加工工件切出壁轮廓为一曲线，切削过程中两者为相交关系，得到刀具-工件轮廓几何模型；

所述切出角度φ，为：

切出点倒角刀具切削方向与待加工工件切出壁轮廓夹角；

当待加工工件的切出壁为直线时，所述切出角度φ为切出点刀具切削方向与待加工工件切出壁夹角；

当待加工工件的切出壁为曲线时，所述切出角度φ为切出点刀具切削方向与待加工工件切出壁轮廓切线的夹角，该切线过切出点；

且，所述切出角度φ满足以下公式：

其中：l为倒角刀具轴线距离待加工工件切出壁或切出壁轮廓切线距离，r_s为倒角刀具端面半径。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述纤维排布面内倒角刀具楔角β′的计算过程如下：

根据倒角刀具几何尺寸及形状轮廓测量值，记刀具倒角为β，刀具倒角长度为b_∈，其中，刀具倒角为过倒角刀具轴线剖面内，刀具端面轮廓线与与之相邻的倒角斜面轮廓线之间的夹角，取倒角刀具实体一侧数据，刀具倒角长度为过倒角刀具轴线剖面内倒角斜面轮廓线长度；

基于切出角度φ，结合刀具倒角β、及刀具端面半径r_s对纤维排布面内切削楔角β′进行计算：

当刀具倒角β为锐角时，纤维排布面内倒角刀具楔角β′为：

当刀具倒角β为钝角时，纤维排布面内倒角刀具楔角β′为：

所述切出侧纤维方向角θ为倒角刀具进给方向逆时针旋转至与纤维方向平行所转过的角度；

记端面拐点为纤维排布面内刀具端面轮廓线与倒角斜面轮廓线交点，记侧面拐点为纤维排布面内刀具侧面轮廓线与倒角斜面轮廓线交点；

所述建立纤维排布面内刀具-纤维相互作用几何模型，确定未断裂纤维首次发生断裂的位置，指的是：

a、当β′<(π-θ)时，未断裂纤维首先与端面拐点相接触，未断裂纤维首次在端面拐点发生断裂；

b、当β′≥(π-θ)时，未断裂纤维首先与侧面拐点相接触，未断裂纤维首先在侧面拐点发生断裂。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

当未断裂纤维首次在端面拐点发生断裂时，理论毛刺最大长度l_b为：

l_b＝0

当未断裂纤维首先在侧面拐点发生断裂时，且倒角刀具的轴向切削深度a_p较大时，即a_p≥b_∈·sinβ时，最大理论毛刺长度l_b为：

当未断裂纤维首先在侧面拐点发生断裂时，且倒角刀具的轴向切削深度a_p较小时，即a_p<b_∈·sinβ时，最大理论毛刺长度l_b为：

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