超聲振動(dòng)銑削碳纖維復(fù)合材料銑削力試驗(yàn)分析

李 紅， 王大鎮(zhèn)

(1.集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院 機(jī)械工程系， 福建 廈門 361021;2.集美大學(xué) 機(jī)械學(xué)院， 福建 廈門 361021)

0 引 言

碳纖維復(fù)合材料因其具有較好的韌性和強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到機(jī)械制造等相關(guān)領(lǐng)域。時(shí)至今日，國(guó)內(nèi)外諸多專家學(xué)者對(duì)碳纖維復(fù)合材料的切削加工進(jìn)行了相關(guān)研究，并且產(chǎn)出了相關(guān)的科研成果。冷小龍等[1]研究了鉆削工藝對(duì)復(fù)合材料/金屬疊層板孔質(zhì)量的影響；林有希等[2]對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料正交切削加工性能進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值分析；武強(qiáng)等[3]研究了含能材料防護(hù)屏在球形彈丸超高速撞擊下的穿孔特性；楊小璠等[4]使用硬質(zhì)合金刀具對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了切削加工研究；高石鑫[5]對(duì)碳纖維復(fù)合材料橋塞的高速切削技術(shù)進(jìn)行了研究；董輝躍等[6]對(duì)碳纖維復(fù)合材料/鈦合金疊層螺旋銑孔的加工工藝進(jìn)行了研究；高漢卿[7]對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料宏細(xì)觀切削過(guò)程進(jìn)行了仿真分析；李志凱[8]對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了切削實(shí)驗(yàn)與仿真研究；葉銜真[9]對(duì)碳纖維復(fù)合材料制件的切削工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；周鵬[10]對(duì)碳纖維復(fù)合材料工件切削表面粗糙度測(cè)量方法進(jìn)行了研究；牛紅偉等[11]研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與金屬釬焊。雖然諸多專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，但是大都集中在工藝方面，對(duì)于C/C復(fù)合材料的切削加工研究等方面尚未成熟，因此，文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真方法對(duì)C/C復(fù)合材料進(jìn)行超聲振動(dòng)銑削加工研究，對(duì)其切削加工工藝的優(yōu)化有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)材料選擇C/C復(fù)合材料，高速切削實(shí)驗(yàn)在KV1000-V5數(shù)控加工中心進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用Kl三向測(cè)試儀對(duì)切削力進(jìn)行測(cè)試，具體的高速切削實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表1 切削實(shí)驗(yàn)方案

2 結(jié)果及討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同切削速度對(duì)C/C復(fù)合材料高速切削三向切削力的影響關(guān)系如圖1所示。

圖1 三向切削力與切削速度關(guān)系

從圖1可以看出，三向切削力與切削速度之間呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)，隨著切削速度的逐漸增大，三向切削力呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢(shì)。其中，背向切削力約為其它兩向切削力的2倍。究其原因在于：隨著切削速度的逐漸增大，切削加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量有一定的增加，極大部分熱量被切屑帶走，少量熱量傳遞到刀具，因此切削熱對(duì)于刀具磨損的影響較小。相比之下，切削熱對(duì)復(fù)合材料起到一定的溫度熱軟化效應(yīng)，因此致使切削力逐漸減小。

三向切削力與切削深度的影響關(guān)系如圖2所示。

圖2 三向切削力與切削深度的關(guān)系

從圖2可以看出,切削深度與切削力之間呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。隨著切削深度的增大，三向切削力呈現(xiàn)出明顯的增大。其中，背向切削力呈現(xiàn)出線性增大的趨勢(shì)，主切削力的增大呈現(xiàn)出了區(qū)域性。分析原因在于：隨著切削深度的增大，材料的每刀去除率增加，導(dǎo)致切削加工過(guò)程中的切削熱增多，變形抗力增大，致使切削力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

三向切削力與進(jìn)給量之間的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 三向切削力與進(jìn)給量的關(guān)系

從圖3可以看出,切削力與進(jìn)給量之間也呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，隨著進(jìn)給量的增大，三向切削力也呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢(shì)。雖然進(jìn)給量和切削深度在切削過(guò)程中的貢獻(xiàn)方式基本一致，但是進(jìn)給量與切削力的關(guān)系同切削深度仍然存在一定的不同，不同的進(jìn)給量下，三向切削力的區(qū)域化不明顯。

2.2 仿真分析

高速切削的幾何模型和網(wǎng)格單元如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格單元

其中刀具定義為塑性體，工件的材料屬性定義采用J-C本構(gòu)方程，網(wǎng)格單元為C3D8單元類型。

切削速度為200 m/min時(shí),不同歷程的高速切削應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 有限元分析應(yīng)力云圖

從圖5可以看出,在切削加工的初始階段，接觸應(yīng)力的范圍較大，隨著切削進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過(guò)程，切削的絕熱剪切區(qū)的寬度基本穩(wěn)定，切屑呈現(xiàn)出鋸齒形切屑。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)三向切削力與切削速度之間呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)，隨著切削速度的逐漸增大，三向切削力呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢(shì)。切削深度和進(jìn)給量與切削力之間都呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。

2)在切削加工初始階段，接觸應(yīng)力的范圍較大，隨著切削進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過(guò)程，切削的絕熱剪切區(qū)的寬度基本穩(wěn)定，切屑呈現(xiàn)出鋸齒形切屑。

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