基于应变能密度理论的吸波蜂窝复合材料切削机理及超声刀具设计

作     者：刘鑫 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于保华;陆平山

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：吸波蜂窝复合材料 超声振动切削 超声刀具 超声切削机理 

摘      要：超声振动加工在航空复材零件制造中的应用越来越广泛,其加工系统核心部件-超声刀具作为一种正处于高速发展阶段的新型刀具,切削机理以及刀具设计方法尚未形成完整体系,进而导致现有蜂窝芯复材的超声刀具存在切削力大、切削温度高、纤维拔出严重、加工效率低等问题,对于高密度吸波蜂窝芯复材更是无能为力。因此,本文采用理论分析、仿真优化与试验相结合的研究方法,分析不同刃型刀具切削吸波蜂窝芯材的断裂形式,引入应变能密度因子理论和裂纹扩展理论,开展刃型-工艺的匹配研究,基于能量消耗最小原则设计针对粗加工和精加工的两种吸波蜂窝专用超声盘类刀具。主要工作与成果如下:1、开展典型刃型盘类超声刀具切削吸波蜂窝复合材料的切削力建模及材料断裂形式分析。圆盘类刀具超声辅助的切削过程进行空间运动学的建模;建立吸波蜂窝胞元壁板划切刃型刀具的划切力模型,以及锯切刃型刀具的锯切力模型,揭示了两种典型刃型刀具的切削吸波蜂窝胞元壁板的机理,在划切作用形式下产生Ι-ΙΙ-ΙΙΙ型复合断裂,2、在锯切作用形式下产生Ι-ΙΙΙ型复合断裂,为后文建立划切与锯切断裂模式的应变能密度因子理论模型提供理论依据。3、提出了应变能密度因子的刀具切削材料消耗能量的评价方法。结合所建立的划切刃型和锯切刃型刀具的切削力模型和切削作用下的断裂类型,创新的引入应变能密度因子理论进行切削力差异性的机理分析。计算不同刃型切削作用产生裂纹的开裂角度,求得产生裂纹瞬间的最小应变能密度因子;对比不同刀具刃型切削材料的最小应变能密度因子,结果表明:锯切刃型适用于粗加工,划切刃型适用于精加工。4、针对吸波蜂窝复合材料高脆性浸渍、高刚度的特点,结合能量消耗最小原则和有限元仿真方法对刀具的参数进行优化,设计了适用于吸波蜂窝复合材料加工特性的新型超声锯切和划切刀具;根据刀具的振动特性与实际加工情况进行刀具涂层设计,减少摩擦力,提升刀具寿命。5、开展锯切刃型与划切刃型作用下材料断裂形式仿真及实验。分别借助ABAQUS有限元仿真与高速摄像实验对划切刃型和锯切刃型的不同切削作用形式进行验证,观测切削过程中吸波浸渍层裂纹的产生及开裂角度,验证应变能密度理论切削机理中开裂纹萌生角度的正确性。6、设计了两种刃型的新型超声刀具切削性能实验。进行了同种工艺类型下切削力、切削热、刀具磨损以及表面加工质量的切削性能测试实验。实验结果表明:平均切削力及切削热为改进前70%;抗磨损性能与表面加工质量都有了较大的提升。验证刀具设计方法的正确性以及所设计刀具性能的优异性。