超声铣削碳/碳复合材料铣削力研究

摘要

碳/碳复合材料具有很高的热稳定性和抗冲击性，主要应用于制造高温航空航天相关结构部件，如导弹弹头的端头帽、发动机的喷管等关键部位。但因材料的各向异性、层间剪切强度低等性质，零部件制造具有可加工性差、材料分层、纤维拔出等缺陷，是一种典型的难加工材料。目前，航空发动机制造工艺技术无法满足新一代航空发动机研制对碳/碳复合材料的高效精密制造技术的需求。超声辅助加工技术在降低切削力、提高工件的表面质量等方面有显著的优势，作为一种有效的难加工材料的加工方法，本文针对超声铣削碳/碳复合材料的铣削力开展了相关研究。研究内容如下： 采用SEM和VHX-2000对碳/碳复合材料的微观结构进行表征，建立了碳/碳复合材料的本构特征模型。根据材料的宏观性能，计算出复合材料单元体断裂所需要的力。建立了超声振动铣削加工过程中切削刃的运动轨迹模型，阐述了碳/碳复合材料的超声铣削加工机理。与普通铣削加工相比，超声振动铣削加工是在刀具上施加了高频振动，改变了切削刃对材料的作用力的大小和方向，使超声振动铣削加工更易切断碳纤维，使材料去除，加工效率更高。 建立了碳/碳复合材料的铣削加工模型和立铣刀的模型。运用斜角切削理论、等效平面和二维正交切削圆的理论对超声振动辅助铣削碳/碳复合材料的铣削力进行建模，并对碳/碳复合材料进行了普通和刀具超声振动铣削加工的正交试验。试验结果表明，与普通铣削碳/碳复合材料相比，超声振动铣削加工可以有效减小铣削加工中的切削力；获得了超声铣削加工中铣削力随刀具旋转角度ψ的变化呈周期性变化的规律，x方向与y方向的铣削力在一个周期中随ψ的变化先减后增，z方向的铣削力随ψ的变化在一个周期中先增后减。 最后，对超声铣削的碳/碳复合材料加工表面的微观形貌进行分析。在超声振动铣削加工的情况下，由于对铣刀施加了高频振动的能量，对材料进行高频振动冲击，导致碳纤维上产生应力集中，容易切碎，减小了铣削加工中的铣削力，提高加工表面质量。与普通铣削加工相比，超声振动铣削加工会导致碳纤维应力集中，易切削，会使产生的切屑尺寸较碎。

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