CFRP微磨削机理与工艺研究

作     者：庄朋 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张幼军;苑泽伟

授予年度：2021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）] 080502[工学-材料学] 

主      题：碳纤维增强复合材料 有限元 二次开发 微磨削 机理 

摘      要：碳纤维增强复合材料（CFRP）因具有高比强度、高比模量和抗疲劳等优越性能,在航空航天等重要领域应用广泛。随着制备工艺的不断提升,其应用领域逐渐扩展到手机、赛车、高端机床和笔记本等新型领域,同时也对碳纤维增强复合材料的表面质量和形状精度方面提出了更高的要求。传统加工方法易产生分层、毛边、纤维抽出和基体碎裂等缺陷。本文利用有限元软件进行微磨削仿真,探讨不同工艺参数对碳纤维增强复合材料加工过程的影响,从而揭示碳纤维增强复合材料微磨削的机理,同时使用超薄金刚石砂轮对碳纤维增强复合材料进行微磨削。（1）首先对Abaqus有限元分析软件的前处理进行二次开发。观察单向碳纤维增强复合材料的微观形貌,利用两点距离大于2R（R为纤维直径）为判断条件,通过使用内部插件RSG,建立了输入纤维直径、纤维数量和矩形长宽等参数生成符合实际纤维占比的碳纤维增强复合材料模型的GUI（图形用户界面）;使用扫描电镜对砂轮和磨粒进行微观形貌观察,对磨粒表面的随机性与多面性进行总结,采用圆外切线的方法建立切割体,通过对被切割体随机位置的切割建立磨粒并建立GUI;通过简化磨粒在砂轮表面的位置,使磨粒在砂轮表面类似斜齿轮排布并建立GUI。（2）通过GUI建立碳纤维增强复合材料微磨削的模型,在Abaqus中进行微磨削仿真,改变不同主轴转速、磨削深度和纤维取向等参数,总结磨削力与各个参数的关系和变化规律;观察微磨削的仿真过程,探索微磨削情况下,纤维与基体的破坏方式,依据纤维与基体的脱离程度、周围纤维的断裂根数和纤维的断裂长度等亚表面损伤得出最佳工艺参数;在同一工艺参数不同纤维取向角下,探索纤维与基体的断裂形式。（3）利用超薄金刚石砂轮对碳纤维增强复合材料进行与仿真参数对应的微磨削试验,根据不同转速与纤维取向角的磨削力曲线规律和表面质量分析验证仿真的正确性。还进行不同进给速度和切割深度参数的微磨削试验,总结两种因素对加工表面的影响。通过不同工艺参数的试验与仿真研究得出,碳纤维复合材料微磨削的最佳工艺参数为主轴转速24000r/min、进给速度2mm/s和切割深度0.2mm;纤维取向角度选择90度时;切割片目数为500N,表面粗糙度达到Ra=0.024μm。最后针对超薄金刚石砂轮的目数进行工艺试验,选择更适合磨削碳纤维增强复合材料的切割片。