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基于竹鼠门牙结构的cfrp仿生刀具结构设计及试验研究

基于竹鼠门牙结构的CFRP仿生刀具结构设计及试验研究

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作者：李枫湖南科技大学

学位级别：硕士

cfrp作为一种碳纤维增强复合材料,具有轻量、高强度、高模量、优异的耐腐蚀性、耐磨性和耐疲劳性,因此在航空航天、国防科技、军工、体育和医疗等领域的应用越来越广泛。但由于cfrp层合板具有各向异性以及层间连接较差等特点,导致钻削... 详细信息

cfrp作为一种碳纤维增强复合材料,具有轻量、高强度、高模量、优异的耐腐蚀性、耐磨性和耐疲劳性,因此在航空航天、国防科技、军工、体育和医疗等领域的应用越来越广泛。但由于cfrp层合板具有各向异性以及层间连接较差等特点,导致钻削过程中极易出现分层、撕裂、毛刺等加工缺陷。因此,本文针对制孔缺陷的问题,基于仿生学原理,设计并制造了钻削平纹编织cfrp材料的专用刀具,对仿生新型刀具钻削PW-cfrp材料的钻削轴向力（F）、钻削温度（T）和分层因子（F）进行了试验分析,同时,进一步验证仿生新型刀具能否达到增强切削效果和减少材料出口侧分层缺陷的目的。本文的主要研究内容和结论如下:（1）提取竹鼠下门牙实物,并应用非接触激光三维扫描仪EZ-003获取竹鼠下门牙的点云数据,利用逆向工程技术软件对获取的点云数据进行处理、修复,并重构牙齿的三维模型;其次,基于三维重构的竹鼠下门牙进行提取和分析,比如材料属性、特性曲线（前刀面轮廓曲线、后刀面轮廓曲线、切削刃轮廓曲线）、结构形貌等,同时对竹鼠下门牙进食过程的运动过程进行数学建模分析,获得了牙齿运动过程中咬合半径（R）与切入角（θ）之间的数学关系式,为仿生设计钻削专用刀具提供了仿生理论依据;（2）利用竹鼠下门牙对PW-cfrp材料建立了有限元宏观切削模型,分析了不同切入角（θ）对材料的去除过程以及切削表面的加工效果,同时,对比了不同刀具结构对PW-cfrp材料切削的表面质量。结果表明,切入角越小,切削表面质量越好;由于PW-cfrp材料的编织类型不同,加工效果也随之不同,其中,0°/180°与90°交错类型比45°与135°交错类型所切削的表面质量更好;验证了竹鼠下门牙比普通刀具切削PW-cfrp材料的表面质量更好;此外,当切入角θ=10°时,切削表面效果最佳,此时竹鼠牙齿的咬合半径为40 mm,结合刀具理论与坐标转换原理设计并制造了仿生新型刀具,整体刀具尺寸缩放比例为0.15倍;（3）利用新设计的仿生新型刀具与现有的燕尾-细齿刀具进行对比试验,分析了仿生新型刀具的钻削轴向力（F）与钻削温度（T）的时变特征,以及工艺参数(主轴转速（n）、进给速度（V_f）)、刀具结构、钻削深度（h）对钻削轴向力和钻削温度的影响。结果表明:A点的数值为整个过程中的最大轴向力,C点的数值为细齿修整阶段的最大轴向力,且仿生新型刀具钻削PW-cfrp材料时产生的轴向力更小;A点的大小为整个钻削过程中的最大钻削温度,W曲线中D点的大小为修整阶段的最大钻削温度;仿生新型刀具的钻削轴向力随着进给速度的增大而增大,随着主轴转速的增大而减小;仿生新型刀具的钻削温度均随进给速度与主轴转速的增大而增大;（4）分析了工艺参数(主轴转速（n）、进给速度（V_f）)、刀具结构、刀具直径、轴向力、钻削温度对制孔分层因子（F）的影响。结果表明:分层因子均随进给速度与主轴转速的增大而增大;仿生新型刀具比燕尾-细齿刀具的分层因子小,说明分层缺陷小,制孔效果越好;当低进给、低转速时,仿生新型刀具的钻削温度低,分层因子小,孔加工质量好;而仿生新型刀具轴向力的大小不能决定最终分层因子的大小;越接近竹鼠下门牙齿形的仿生新型刀具钻削PW-cfrp材料的加工质量越好。

关键词：平纹编织cfrp复合材料仿生学新刀具钻削轴向力钻削温度分层因子

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