CFRP专用带端刃立铣刀结构优化与磨损规律研究

摘要

碳纤维复合材料（Carbon FiberReinforced Plastics，CFRP）轻质、高强且可整体设计，近年来在航空航天领域先进装备的大型结构件中得以广泛应用。为达到复杂结构件的尺寸要求以及满足其连接装配需要，需要对这些构件进行大量的铣削加工，如边缘、盲槽盲窗及异形窗口的铣削加工。现有铣削工具与材料匹配性低，导致边缘侧面毛刺、撕裂损伤频发，盲窗/盲槽底面粗糙度较低。而且端铣过程中的加工环境半封闭使得切屑和热量难以排出，端刃磨损严重，导致刀具寿命低。本文选择左右旋切削刃共存的在研多刃微齿铣刀为研究对象，针对铣刀周刃提出抑制右旋切削刃边缘破损微齿重叠形式设计方法，同时考虑左旋切削刃的切削连续性对加工质量的影响，并通过实验验证了所优化刀具的预期效果。此外，针对端刃分析了端铣CFRP时端刃磨损形式及磨损规律，并探究了有效抑制刀具磨损的加工参数。本文研究内容为实现CFRP高质铣削加工的多刃微齿铣刀研发设计提供了指导思路。 本文研究的主要工作如下： （1）分析了在研的多刃微齿铣刀周刃微齿失效形式及失效原因，提出了微齿重叠形式可设计的计算方法，揭示了微齿重叠形式对微齿不同部位的切削厚度影响机制，并采用侧铣实验对不同微齿重叠形式多刃微齿铣刀的微齿磨损状态进行验证，获得能够抑制边缘破损的微齿重叠形式。 （2）考虑微齿左旋切削刃的切削连续性对CFRP加工质量的影响，通过设计不同分屑槽螺旋角获得了左旋切削刃切削面积分别为未连续、连续及重叠连续的多刃微齿铣刀，通过铣削实验对比分析了三种类型的铣刀对铣削力、表层损伤及表面粗糙度的影响规律，优选出加工质量较好的左旋切削刃切削面积类型。 （3）通过端铣CFRP实验，获得了端刃磨损形式及规律，且探究了端刃不同磨损形式对加工表面质量的影响，以指导多刃微齿铣刀的端刃结构设计。 （4）采用全因素端铣实验分析了每齿进给量及切削速度对端刃磨损及槽底加工表面质量的影响规律，优选出降低端刃磨损速率和提高表面质量的加工参数。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）

1.1.2 CFRP切削加工需求及难点

1.1.3 CFRP专用的多刃微齿铣刀及其存在问题

1.2 CFRP铣削加工国内外研究现状

1.2.1 CFRP铣削工具相关研究

1.2.2 CFRP铣削工艺相关研究

1.2.3 CFRP铣削磨损相关研究

1.3 论文主要研究内容

2.1 多刃微齿铣刀结构及微齿失效特点及原因

2.1.1 多刃微齿铣刀结构

2.1.2 微齿失效特点及原因

2.2 多刃微齿铣刀微齿重叠形式设计

2.2.1 微齿重叠形式与微齿切削厚度分析

2.2.2 微齿重叠形式及其设计方法

2.3 微齿重叠形式对刀具磨损和铣削力的影响

2.3.1 实验方案及测量方法

2.3.2 铣刀微齿重叠形式对微齿磨损的影响分析

2.3.3 铣刀微齿重叠形式对铣削力的影响分析

2.4 微齿重叠形式对CFRP加工质量的影响

2.4.1 微齿重叠形式对表面形貌的影响

2.4.2 微齿重叠形式对表面粗糙度的影响

2.5 本章小结

3 多刃微齿铣刀左旋切削刃切削连续性研究

3.1 CFRP铣削损伤抑制原理及左旋切削刃设计

3.2 实验设置

3.3 实验结果与分析

3.3.1 左旋切削刃切削连续性对铣削力的影响规律

3.3.2 左旋切削刃切削连续性对加工质量的影响规律

3.4 本章小结

4 端铣CFRP端刃磨损形式及表面质量研究

4.1 多刃微齿铣刀端刃结构及磨损形式

4.2 多刃微齿铣刀端铣实验设置

4.3 端刃磨损规律及其对加工质量的影响

4.3.1 刀尖磨损及其对表面质量的影响

4.3.2 切削刃磨损规律及其对表面质量的影响

4.3.3 后刀面磨损规律及其对表面质量的影响

4.4 本章小结

5 端铣CFRP加工工艺参数优选实验研究

5.1 端铣CFRP实验装置

5.2 端铣加工参数对刀具磨损的影响

5.2.1 每齿进给量对端刃磨损的影响规律

5.2.2 切削速度对端刃磨损的影响规律

5.3 端铣CFRP加工参数对表面粗糙度的影响

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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