CN111736529B - 基于超声铣削的碳纤维增强复合材料纤维切削角改善方法 - Google Patents

基于超声铣削的碳纤维增强复合材料纤维切削角改善方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于超声铣削的碳纤维增强复合材料纤维切削角改善方法。首先根据碳纤维增强复合材料纤维断裂特性建立不同纤维切削角的材料去除模式;其次考虑刀具高频振动对刀具运动学特性的影响,建立刀具上任一点的位移方程;构建单个振动周期内的瞬时切向速度及轴向速度模型,采用切向速度与轴向速度的合成方法建立轴向超声振动铣削纤维切削角模型;在单一纵振的基础上分析二维纵扭超声钻削,建立纵扭共振下的纤维切削角模型;提出纤维切削角改善程度的表征系数,对比分析轴向超声铣削与二维纵扭超声的改善效果;最后基于已建立的超声振动对纤维切削角改善模型,开展铣削实验验证模型的有效性;本发明够实现纤维切削角的准确预测。

Description

基于超声铣削的碳纤维增强复合材料纤维切削角改善方法
技术领域
本发明属于旋转超声铣削加工技术领域,特别是一种基于旋转超声铣削复合材料的 纤维切削角的改善方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料(CFRCs)由于具有轻质、高比强度、高比刚度等优良的机械性能,在现代制造业(例如军用飞机、航天飞机、船舶、汽车的制造)中得到越来越广 泛的应用。在复合材料零件成型后,需要在主体材料上机加工去除部分材料已达到装配 所需的尺寸及精度要求。据统计约60%的零件失效是由加工缺陷引起的,因此复合材料 铣削质量对产品的使用性能和使用寿命有至关重要的作用。然而,CFRCs卓越的机械性 能也为铣削加工带来了挑战,在铣削加工时易于出现分层,沿纤维方向撕裂,表面微裂 纹等缺陷,严重降低材料的力学性能和零部件的使用性能。大量文献表明,纤维切削角 对纤维增强复合材料铣削表面质量起到至关重要的作用,通过改善纤维切削角减小复合 材料加工损伤是一种行之有效的方法。旋转超声铣削技术从本质上改变刀具的运动轨迹, 从而引起刀具切削刃与待剪切纤维的相对运动方向。
为了达到控制超声振动铣削纤维切削角的目的,必然要建立旋转超声铣削加工参数 与纤维切削角的映射关系。目前已有的基于理论分析的旋转超声加工纤维切削角模型,例如文献Wang J,Zhang J,Feng P.Effects of tool vibration on fiber fracture inrotary ultrasonic machining of C/SiC ceramic matrix composites[J].CompositesPart B Engineering, 2017,129:233-242.发表了一种基于旋转超声钻削的纤维切削角数学模型,考虑到了超声 振动参数、加工参数和刀具结构对纤维切削角的影响。由于其忽略了刀具的进给速度, 该模型只适用于轴向振动的旋转超声钻削的纤维切削角的预测。旋转超声铣削加工时进 给方向与超声振动方向不同,进给速度不能忽略,因此目前研究中建立的数学模型不适 用于预测旋转超声铣削的纤维切削角预测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于旋转超声铣削复合材料的纤维切削角的改善方法, 以解决旋转超声铣削CFRCs纤维切削角缺失的问题,实现纤维切削角的准确预测。
实现本发明目的的技术解决方案为:
一种基于旋转超声铣削复合材料的纤维切削角的改善方法,包括以下步骤:
步骤1、根据C/SiC中纤维断裂特性,建立不同纤维切削角的材料去除模型;
步骤2、引入旋转超声RUM-L方法,建立超声振动下纤维切削角的改善模型;建 立RUM-L的刀尖运动轨迹方程,定义传统加工RCM纤维切削角为α、进给方向与切向 方向的夹角为β、RUM-L下合成速度v与切向方向的夹角为γ、RUM-L下合成速度与 纤维夹角为θ;根据投影三余弦定理,建立RUM-L纤维切削角θ的数学模型;
步骤3、建立旋转超声单一纵振下振幅与纤维切削角的关系;
步骤4、建立旋转超声单一纵振下主轴速度与纤维切削角的关系;
步骤5、在旋转超声单一纵振RUM-L基础上引入旋转超声纵扭共振RUM-LT方法, 建立纵扭共振下纤维切削角的改善模型;
步骤6、提出振幅比系数b,建立RUM-LT在不同系数b下与纤维切削角的关系: 提出振幅系数b,结合步骤5得到的RUM-LT纤维切削角θ’方程,得出RUM-LT下振幅 系数b下与纤维切削角关系;
步骤7、建立旋转超声纵扭共振下轴向振幅与纤维切削角的关系:结合步骤5得到的RUM-LT纤维切削角θ’方程,结合步骤6得到的合适的振幅比系数b,建立RUM-LT 下轴向振幅与纤维切削角关系,根据合适的纵振振幅得到最佳的扭振振幅;
步骤8、建立旋转超声纵扭共振下主轴转速与纤维切削角的关系:结合步骤5得到的RUM-LT纤维切削角θ’方程,建立RUM-LT下主轴转速与纤维切削角关系;
步骤9、引入表征系数S,建立RUM-LT下表征系数S与振幅比b的关系;结合步 骤6得到纤维切削角与振幅比b的关系,引入表征系数S表示纤维切削角大余75°所 占的区域,建立表征系数与振幅比的关系,得到最佳改善纤维切削角的振幅比b。
本发明与现有技术相比,其显著优点是:
(1)本方法实现了超声振动铣削碳纤维复合材料纤维切削角预测,解决了没有适用于超声铣削的纤维切削角求解方法的问题。
(2)通过超声振动铣削的运动学解析,提出了单一纵振和纵扭二维振动的纤维切削角计算方法。
(3)提出了纤维切削角改善程度表征方法,得到了最佳改善纤维切削角的振幅比。
附图说明
图1为本发明纤维切削角预测方法的流程图。
图2(a-b)分别为碳纤维复合材料铣削示意图和纤维切削角定义示意图。
图3(a-d)分别为纤维切削角等于0°、45°、90°和135°的纤维剪切示意图。
图4(a-b)分别为超声振动铣削刀具运动学分析图和刀具任一点运动轨迹图。
图5为纤维剪切过程各角度的示意图。
图6为纤维切削角的求解示意图。
图7为RUM-L下纤维切削角与振幅的关系图。
图8为RUM-L下纤维切削角与主轴转速的关系图。
图9为RUM-LT的任一点运动轨迹图。
图10为RUM-LT下振幅比与纤维切削角的关系图。
图11为RUM-LT下纤维切削角与振幅的关系图。
图12为RUM-LT下纤维切削角与主轴转速的关系图。
图13为振幅比在0-1.5范围内与改善系数S的关系图。
图14为振幅比在0.2-0.5范围内与改善系数S的关系图。
图15为超声振动引入后纤维切削角改善效果验证图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1,本发明的一种基于旋转超声铣削复合材料的纤维切削角的改善方法,包括以下步骤:
步骤1、根据C/SiC中纤维断裂特性,建立不同纤维切削角的材料去除模型:首先定义纤维切削角小于90°为负角,大于90°为正角,然后建立不同纤维切削角下的纤 维断裂和材料去除模型。
步骤1.1、首先定义纤维切削角小于90°为负角,大于90°为正角:
碳纤维复合材料铣削时,纤维的铺层方向和刀具切削方向、进给方向如图2(a)所示, 图2(b)中纤维铺层方向与刀尖切削方向的夹角为纤维切削角α。认定纤维切削角度小于 90°为负角,大于90°为正角。
步骤1.2、根据纤维断裂特性,建立不同纤维切削角下的纤维断裂和材料去除模型:
结合图3,为不同纤维切削角断裂特性和材料去除模型,当α=0°时,纤维等效为悬臂梁,刀具加工后,纤维基体会发生脱粘和弯曲断裂。当纤维切削角为负角时,切削刃 挤压使纤维发生剧烈位移。纤维的分层和平面外位移导致差的加工表面质量。当纤维切 削角为正角时,由剪切引起的挤压裂纹沿着切削平面且该平面内的剪切特性提高了加工 表面质量。因此,本发明针对纤维差的切削角α=45°时,使用旋转超声振动辅助技术改 善纤维的切削角,使纤维切削角达到近似90°的优良切削角度。
步骤2、引入旋转超声单一纵振(RUM-L)方法,建立超声振动下纤维切削角的改 善模型:建立RUM-L的刀尖运动轨迹方程,定义传统加工(RCM)纤维切削角为α(即 切向方向与纤维的夹角)、进给方向与切向方向的夹角为β、RUM-L下合成速度(v)与 切向方向的夹角为γ、RUM-L下合成速度与纤维夹角为θ。根据投影三余弦定理,建立 RUM-L纤维切削角θ的数学模型;
步骤2.1、建立RUM-L刀尖运动轨迹方程:
由于RUM-L的作用,刀具添加了轴向运动。结合图4(a)为RUM-L加工时刀尖运 动状态,图4(b)为刀尖旋转一周的运动轨迹。建立RUM-L铣削C/SiC过程中切削刃上 任意一点P的运动学方程,P点的运动包括水平进给、周向旋转和轴向振动,P点位移 方程如下:
Figure RE-GDA0002635456250000041
其中,sx(t)、sy(t)、sz(t)分别为X、Y、Z三个方向的位移量;R为刀具半径;t为加 工时间;ω是刀具转动的角速度;A是超声振动的振幅;F为超声振动的频率,F=20kHz; vf为进给速度;β为进给方向与点P切向方向的夹角,β=ωt。
步骤2.2:建立RUM-L纤维切削角的数学模型;
(1)结合图5为在OXY平面内纤维的投影,平面内切向速度是圆周速度和进给速 度的合成速度。点P的轴向速度可以由公式(1)求导得到,点P速度方程如下:
Figure BDA0002534513970000042
其中,vT为RUM-L的切向速度(mm/s);vz为轴向速度(mm/s);n为主轴转速(r/min);β为进给方向与点P切向方向的夹角,β=ωt。
(2)结合图6为RUM-L纤维切削角,根据空间投影三余弦定理,由合成速度、切 速度和纤维铺层方向可以得到RUM-L纤维切削角,其公式如下:
Figure BDA0002534513970000051
其中,θ为RUM-L加工时的纤维切削角;γ为RUM-L点P合成速度与切向速度的 夹角;α为未引入超声振动时的切削角。
步骤3、建立RUM-L振幅与纤维切削角的关系:结合步骤2得到的RUM-L纤维切 削角θ的数学模型,改变超声振幅,给定其他切削参数,得到单一纵振下振幅与纤维切 削角的关系。
Figure BDA0002534513970000052
结合步骤2得到的RUM-L纤维切削角θ的数学模型,利用MATLAB软件,绘制 RUM-L振幅与纤维切削角关系图。结合图7为在一个周期下不同超声振幅的纤维切削 角,当振幅为零时超声振动辅助铣削转变为传统铣削。结合图7可以得出与RCM相比, RUM-L可以增加纤维切削角,这主要是因为引入轴向速度对切削速度方向改变有很大 的作用。此外,纤维切削角度随着超声振幅的增加而增加,当超声振幅为20μm时,纤 维切削角接近90°。结合图3可以知道相对与其他纤维切削角,当纤维切削角为90°时 可以获得优良的加工表面质量。
步骤4、建立RUM-L主轴速度与纤维切削角的关系:结合步骤2得到的RUM-L纤 维切削角θ的数学模型,改变主轴转速,结合步骤3给定其他切削参数,得到单一纵振 下主轴转速与纤维切削角的关系。
Figure BDA0002534513970000053
结合步骤2得到的RUM-L纤维切削角θ的数学模型,利用MATLAB软件,绘制 RUM-L主轴转速与纤维切削角关系图。结合图8为在一个周期下不同主轴转速的纤维 切削角,纤维切削角随主轴转速的增加而减少。这是因为,主轴转速的增加导致切向速 度增大,当切向速度接近轴向速度时,超声振动对纤维切削角的影响会迅速降低。
步骤5、在单一纵振RUM-L基础上引入纵扭二维复合振动RUM-LT方法,建立纵 扭共振下纤维切削角的改善模型:首先给出RUM-LT下刀尖的运动轨迹方程,结合步骤 2,建立RUM-LT纤维切削角θ’的数学模型。
步骤5.1、建立RUM-LT刀尖运动轨迹方程:
旋转超声纵扭共振辅助技术(RUM-LT)将纵振和扭振组合起来,结合图9为RUM-LT旋转一周刀具的运动轨迹,其运动轨迹与RUM-L有很大的区别。根据公式(1),建立 RUM-L铣削C/SiC过程中切削刃上任意一点P的运动学方程,P点的运动包括水平进给、 周向旋转、轴向振动和OXY平面内的扭振,P点位移方程如下:
Figure BDA0002534513970000061
其中,A’为纵振振幅;B为扭转振幅;ω'是RUM-LT方式下刀具转动的角速度;F’ 为纵扭超声振动的频率;s’x(t)、s’y(t)、s’z(t)分别为RUM-LT方式下X、Y、Z三个方向 的位移量。
步骤5.2:建立RUM-L纤维切削角的数学模型:
对比RUM-LT和RUM-L的运动方程,添加扭振会改变切向速度大小。根据公式(4) 可以得出RUM-LT的切向速度v'z,其公式如下:
Figure BDA0002534513970000062
结合公式(3),可以得到RUM-LT纤维切削角θ’的数学模型。
Figure BDA0002534513970000063
步骤6、提出振幅比系数b(扭振振幅B与纵振振幅A’比值),建立RUM-LT在不 同振幅比系数b下与纤维切削角的关系:提出振幅比系数b,结合步骤5得到的RUM-LT 纤维切削角θ’方程,得出RUM-LT下振幅比系数b与纤维切削角关系。
步骤6.1、提出振幅比系数b:
对比两种旋转超声加工方式对纤维切削角的影响,引入振幅比系数,即扭振振幅与 轴向振幅的比值,b=B/A’。当振幅比系数b=0时,RUM-LT转变为RUM-L。
步骤6.2、建立RUM-LT下振幅系数比b与纤维切削角关系:
Figure BDA0002534513970000071
结合步骤5得到的RUM-LT纤维切削角θ’方程,结合步骤6.1引入的振幅比系数b,可以得到RUM-LT下振幅系数比b与纤维切削角关系。结合图10为超声振动一个周期 内不同振幅比系数b下的纤维切削角,在第一个四分之一周期和最后一个四分之一周期 内,RUM-L对纤维切削角的改善优于RUM-LT。在中间的周期内,情况变得很复杂。 当b=0.5时,RUM-LT对纤维切削角的改善全都优于RUM-L(b=0)。当b=1和b=1.5 时,RUM-LT纤维切削角中最大值接近90°,但有一部分纤维切削角数值低于RUM-L。 这主要时因为扭振使得速度有一个反向的运动。因此,过大的扭振振幅会减少旋转超声 辅助对纤维切削角的改善作用,b=0.5是最优的选择。
步骤7、建立旋转超声纵扭共振下轴向振幅与纤维切削角的关系:结合步骤5得到的RUM-LT纤维切削角θ’方程,结合步骤6得到的合适的振幅系数b,建立RUM-LT下 轴向振幅与纤维切削角关系,根据合适的纵振振幅得到最佳的扭振振幅。
Figure BDA0002534513970000072
结合步骤5得到的RUM-LT纤维切削角θ’方程,结合步骤6得到的合适的振幅比b,建立RUM-LT下轴向振幅与纤维切削角关系,结合图11为RUM-LT不同纵振振幅下的 纤维切削角。与RCM(A=0)相比,RUM-LT极大的改善了纤维切削角,最大的数值达到 90°。在前四分之一周期内,RUM-LT对纤维切削角的改善作用随着纵振振幅的增大而 增大。当纵振增幅大于5μm时,曲线出现了凹陷。当A=10μm时,在一个周期内RUM-LT 对纤维切削角的改善最为明显。
步骤8、建立旋转超声纵扭共振下主轴转速与纤维切削角的关系:结合步骤5得到的RUM-LT纤维切削角θ’方程,建立RUM-LT下主轴转速与纤维切削角关系;
Figure BDA0002534513970000081
结合步骤5得到的RUM-LT纤维切削角θ’方程,结合步骤6和步骤7得到的参数, 建立RUM-LT下轴向振幅与纤维切削角关系。结合图12为RUM-LT不同主轴转速下的 纤维切削角。RUM-LT对纤维切削角的改善作用随着主轴转速的增大而减小。
步骤9、引入表征系数S,建立RUM-LT下表征系数S与振幅比b的关系;结合步 骤6得到纤维切削角与振幅比b的关系,引入表征系数S表示纤维切削角大于75°所占 的区域,建立表征系数与振幅比的关系,得到最佳改善纤维切削角的振幅比b。
步骤9.1、引入表征系数S表示纤维切削角大于75°所占的区域:
结合前面的步骤,定量的分析RUM-L和RUM-LT对纤维切削角的改善作用比较复杂。当纤维切削角大于75°时,切削所得到的复合材料表面能满足质量要求。因此引入 表征系数S表示纤维切削角大于75°时曲线包络的区域,其公式如下:
Figure BDA0002534513970000082
其中,T为超声振动的周期。
步骤9.2、比较RUM-L和RUM-LT对纤维切削角改善作用,建立表征系数S与振 幅比b之间的关系:
Figure BDA0002534513970000083
结合步骤5得到的RUM-LT纤维切削角θ的数学模型,结合公式(5)建立RUM-LT 表征系数S与振幅比系数b之间的关系。结合图13为表征系数S与振幅比系数关系图, 当b=0.5时,RUM-LT表征系数S=3.24比RUM-L(b=0,S=2.05)大60%,即在一个周 期内,当b=0.5时RUM-LT纤维切削角θ大于75°曲线包络的区域比RUM-L多60%。 但是,当振幅比系数b=1.0或b=1.5时,RUM-LT表征系数S远比RUM-L小的多。因 此,为了发挥扭振的作用,扭振振幅不能选择太大,应选择振幅比系数b小于0.5(参 考纵振振幅为10μm)。结合步骤9.2得到的合适的振幅比系数b,细分振幅比系数b, 建立RUM-LT表征系数S与振幅比系数b之间的关系。结合图14为表征系数S与细分 振幅比系数关系图,当b=0.3时,可以获得最大的表征系数S(S=4.49),这比RUM-L (b=0,S=2.05)大119%。因此与RUM-L相比,当RUM-LT选择合适的工艺参数时, 它对纤维切削角的改善作用提高了一倍多。
实施例1:
实验采用由碳纤维和碳化硅单向编织而成的C/SiC材料,材料尺寸30x12x5mm3,碳纤维为T300,平均纤维直径为7μm,密度为2.01g/m3,纤维体积为40%,由化学气 相渗透设备(CVI)制备。此外,在铣削过程中没有采用冷却液。加工后的表面由电镜显 微镜观测(SEM)(QuantaTM 250 FEG,USA)。详细的实验条件如表1。
表1 实验详细条件
Figure BDA0002534513970000091
显然,这些参数是由材料断裂和理论分析等决定的,上述实施例的参数并非是对本 发明的限制。
在单因素实验条件下根据不同的纤维切削角α开展了5组铣削实验,每组实验都包括了传统铣削(RCM)、旋转超声振动铣削实验。如前所述,当纤维切削角大于75°时, 铣削C/SiC材料可以达到复合要求的表面质量。因此,可通过观察铣削后的材料表面形 貌,来判别施加超声振动辅助后对纤维切削角的改善作用。结合图15为SEM下观测的 实验结果,可以发现在不同的纤维切削角下的显微形貌是不一样。在传统加工中,纤维 切削角对纤维断裂方式和材料去除方式有很大的影响。这与步骤1分析的相一致。另外, SEM显示的RUM-L铣削后的表面形貌比RCM下的更加平滑,尤其当纤维切削角为负 角时更为明显。在RUM-L铣削中,纤维断裂方式和材料去除模型为30°和60°时,铣 削后的表面形貌与传统加工下纤维切削角为90°的相似。纤维断裂发生在切削平面。这 些现象都与图7所描述的旋转超声辅助单一纵振对纤维切削角改善作用相一致。此外, 在超声振动辅助的作用下,纤维切削角为0°时的表面形貌也得到了改善。当纤维切削 角为正角(150°)时,加工表面的质量也提高了。因此,理论分析的旋转超声单一纵振对 纤维切削角的改善作用是合理的和有效的。因此,本发明能够实现旋转超声加工对纤维 切削角的改善作用。

Claims (2)

1.一种基于旋转超声铣削复合材料的纤维切削角的改善方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、根据C/SiC中纤维断裂特性,建立不同纤维切削角的材料去除模型;
步骤2、引入旋转超声RUM-L方法,建立超声振动下纤维切削角的改善模型;建立RUM-L的刀尖运动轨迹方程,定义传统加工RCM纤维切削角为α、进给方向与切向方向的夹角为β、RUM-L下合成速度v与切向方向的夹角为γ、RUM-L下合成速度与纤维夹角为θ;根据投影三余弦定理,建立RUM-L纤维切削角θ的数学模型:
Figure FDA0003463290740000011
vT为RUM-L的切向速度;vz为轴向速度;
步骤3、建立旋转超声单一纵振下振幅与纤维切削角的关系:
Figure FDA0003463290740000012
其中A是超声振动的振幅;F为超声振动的频率;vT为RUM-L的切向速度;vz为轴向速度;t为加工时间;
步骤4、建立旋转超声单一纵振下主轴速度与纤维切削角的关系:
Figure FDA0003463290740000013
其中R为刀具半径,n为主轴转速,vf为进给速度;
步骤5、在旋转超声单一纵振RUM-L基础上引入旋转超声纵扭共振RUM-LT方法,建立纵扭共振下纤维切削角的改善模型:
Figure FDA0003463290740000014
Figure FDA0003463290740000015
其中v'z为RUM-LT的切向速度;F’为纵扭超声振动的频率;B为扭振振幅;θ’为RUM-LT纤维切削角;
步骤6、提出振幅比系数b,建立RUM-LT在不同系数b下与纤维切削角的关系:提出振幅系数b,b=B/A’,B为扭振振幅;结合步骤5得到的RUM-LT纤维切削角θ’方程,得出RUM-LT下振幅系数b下与纤维切削角关系;
Figure FDA0003463290740000021
A’为纵振振幅;
步骤7、建立旋转超声纵扭共振下轴向振幅与纤维切削角的关系:结合步骤5得到的RUM-LT纤维切削角θ’方程,结合步骤6得到的合适的振幅比系数b,建立RUM-LT下轴向振幅与纤维切削角关系,根据合适的纵振振幅得到最佳的扭振振幅;
步骤8、建立旋转超声纵扭共振下主轴转速与纤维切削角的关系:结合步骤5得到的RUM-LT纤维切削角θ’方程,建立RUM-LT下主轴转速与纤维切削角关系:
Figure FDA0003463290740000022
步骤9、引入表征系数S,建立RUM-LT下表征系数S与振幅比b的关系;结合步骤6得到纤维切削角与振幅比b的关系,引入表征系数S表示纤维切削角大于75°所占的区域,建立表征系数与振幅比的关系,得到最佳改善纤维切削角的振幅比b;
表征系数与振幅比的关系为:
Figure FDA0003463290740000023
其中δ为加工时间与超声振动周期的比值。
2.根据权利要求1所述的改善方法,其特征在于,步骤7建立旋转超声纵扭共振下轴向振幅与纤维切削角的关系为:
Figure FDA0003463290740000031
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