超声振动磨削CFRP温度场仿真及试验研究

作     者：范宝朋 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈燕

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：CFRP 钎焊金刚石刀具 超声振动磨削 磨削温度 有限元仿真 

摘      要：碳纤维树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,简称CFRP)具有较高的比强度、比刚度及比模量等优异的特性,被广泛应用在航空航天、运载火箭、飞机等高科技领域。近年来,碳纤维复合材料在全球产业内的应用越来越多,加工需求量也越来越多。由于其具有各向异性以及导热率低,给加工过程带来困难;尤其是磨削过程中的热,会影响刀具耐用度以及工件质量,并且加工过程中的热量难以测量,因此本课题开展了对磨削过程中的热进行理论与试验研究,主要内容包括:(1)采用钎焊金刚石刀具进行了超声振动磨削单向CFRP层合板的试验研究,测量了磨削温度与磨削力,建立了磨削各单向CFRP层合板磨削力的经验公式。试验结果表明超声振动磨削0°、45°、90°135°纤维取向的单向CFRP层合板的磨削力与磨削温度不同,其中磨削0°方向上的磨削温度比其他纤维取向的单向层合板小5-52℃。(2)建立碳纤维与树脂分开的两相模型,研究了超声振动磨削单向CFRP层合板的温度场的分布情况,仿真结果表明由于碳纤维与树脂的材料特性不同,树脂的导热系数较小,导致树脂的温度比碳纤维的温度大,温度场方向沿着碳纤维轴向扩展。基于仿真模型研究了超声振动磨削单向CFRP层合板时传入工件的热分配比,建立了超声振动磨削单向CFRP层合板的热分配比模型,发现传入工件的热分配比在5%以下。(3)基于力学线性叠加方法,建立了包含组成多向CFRP层合板的各单向CFRP层合板厚度以及层合作用的超声振动磨削多向CFRP层合板切向磨削力模型;基于超声振动磨削各单向CFRP层合板时传入工件的热分配比,建立了磨削超声振动磨削多向CFRP层合板的磨削温度场仿真。通过试验验证,所建立的超声振动磨削多向CFRP层合板的磨削力模型以及磨削温度场仿真模型精度在80%以上,能够较准确预测出磨削力与温度。