一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法

摘要

本发明公开了一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法，步骤如下：工件可靠装夹，并保证加工过程中砂轮轴线平行于纤维排布面；确定砂轮端面半径；确定砂轮轨迹；获得砂轮切出角度及纤维方向角在砂轮移动过程中的变化规律；通过迭代算法对砂轮端面倒角角度进行再设计，获得砂轮端面倒角角度迭代输出值；进一步对砂轮端面倒角角度迭代输出值进行优化，确定砂轮端面倒角角度最终设计值及砂轮端面倒角长度最终设计值。本发明针对现有CFRP加工易产生毛刺，去毛刺工序复杂的问题，提出一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法，使用该方法设计得到的砂轮可在CFRP磨削过程中对毛刺进行抑制，具有加工工序简单，加工成本低的优点。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料加工技术领域，具体地说是一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法。

背景技术

复合材料是由两种或多种材料复合而成，结构可设计的新型材料，具有比强度、比刚度高、密度低、热膨胀系数低等优异的力学性能，在航空航天、仪器仪表、能源化工等领域获得了广泛的应用。纤维增强复合材料是一种典型的复合材料，其增强相为连续纤维，如碳纤维、玻璃纤维等，基体为金属、树脂、陶瓷等。CFRP是一种典型的复合材料，以连续碳纤维作为增强相，以聚合物树脂等作为基体相，作为轻质构件在工程领域应用广泛，但该类材料在制造过程中存在一定程度的边缘效应，周边材料均匀性差，与内部材料存在性能差异，由其制成的构件一般无法直接成型，大多数构件在初始成型之后需要二次加工以获得设计所需的尺寸精度及表面质量要求。

磨削或铣磨加工是CFRP典型的加工方法，一般统称为磨削加工，常用于半精加工或精加工阶段，但由于复合材料典型的各向异性及非均匀性，在磨削过程中，砂轮与增强相纤维及基体交替作用，材料去除过程不同步，此外，非均质材料内部纤维或基体的断裂强度大于纤维-基体界面开裂强度，纤维-基体交界面受力会率先发生开裂，继而引发多种形式的加工损伤及缺陷。

毛刺是一种典型的CFRP加工缺陷，其产生机理为加工过程中纤维在切削力的作用下发生让刀变形而非断裂，在加工完成后从已加工表面突出。过长的毛刺会影响装配质量，降低装配的可靠性，若使用过程中毛刺发生断裂后进入一些重要结构中，会影响机构的服役性能或服役寿命，甚至引发危险造成重大安全事故。

为保证CFRP构件的服役性能及服役可靠性，需对毛刺缺陷进行控制。传统的方案为在磨削加工后增加一道去毛刺的工序，使用砂纸打磨已加工表面，或使用专用的去毛刺装置及刀具去除加工过程中的毛刺缺陷，然而上述方案增加了工序步骤，造成时间成本和装置成本的浪费，提升了加工成本。

针对现有去毛刺方法工序多，成本高的不足，本发明提出一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法，从毛刺产生机理出发，通过砂轮结构参数的设计及优化，在加工过程中对毛刺的形成过程从根本上进行抑制，可在保证构件加工表面质量的前提下降低加工成本，提高生产效率。

发明内容

本发明旨在提出一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法，基于该方法设计得到的砂轮可在纤维增强复合材料加工过程中对毛刺的形成进行抑制，可提高已加工表面质量，实现复合材料的高质高效加工。本发明采用的技术手段如下：

一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法，具有如下步骤：

工件可靠装夹，并保证加工过程中砂轮轴线平行于纤维排布面；

确定砂轮端面半径r

确定砂轮轨迹；

获得砂轮切出角度φ及纤维方向角θ在砂轮移动过程中的变化规律；

根据纤维方向角θ在砂轮移动过程中的变化规律，初步确定：砂轮端面倒角角度初始设计值β

在保证砂轮端面倒角强度的条件下，进一步对砂轮端面倒角角度迭代输出值β

所述工件为由单向连续纤维增强复合材料预浸料铺层制成的单向或多向纤维增强复合材料层压板；

所述纤维排布面，指的是：

当工件为平面构件时，其纤维排布面与平面构件切出壁平面重合，砂轮切出点位于平面构件切出壁平面；

当工件为曲面构件时，其纤维排布面为曲面构件切出壁切平面，曲面构件切出壁切平面过砂轮切出点；

纤维排布面呈现了砂轮在当前切出点切削去除的纤维的排布方式。

所述工件可靠装夹的装夹方案为夹具夹紧所述工件两侧纤维铺层面，装夹面平行于所述纤维排布面。

所述确定砂轮端面半径r

根据机床功率、机床主轴转速及工件结构参数，结合工件材质对砂轮切削速度的要求及工件结构对砂轮尺寸的限制，确定砂轮端面半径r

工件材质为纤维增强复合材料；

所述砂轮端面半径r

加工过程中，砂轮参与切削加工并与已加工表面相接触的一端为砂轮端面，，其半径即为所述砂轮端面半径r

所述确定砂轮轨迹，具体指：

根据工件去除需求及工件结构，结合砂轮端面半径r

所述获得砂轮切出角度φ及纤维方向角θ在砂轮移动过程中的变化规律，具体指：

将砂轮轨迹离散为由n个轨迹点组成的轨迹点阵列，计算每个轨迹点对应的砂轮切出角度φ及纤维方向角θ，获得砂轮切出角度φ及纤维方向角θ在砂轮移动过程中的变化规律，计算过程如下：

按照砂轮移动的先后顺序对每个轨迹点进行编号；

砂轮切出角度φ为加工过程中砂轮切出点切削速度方向与该砂轮切出点对应的纤维排布面之间的夹角，并记第i个轨迹点对应的砂轮切出角度为φ

其中，l

砂轮切出角度φ还可定量描述砂轮与工件的相对位置关系。

记Φ＝(φ

纤维方向角θ为纤维排布面内砂轮进给方向与纤维方向的夹角，即砂轮进给方向顺时针旋转至与纤维方向平行所转过的角度；

记第i个轨迹点对应的纤维方向角为θ

当纤维方向角的最大值θ

输入砂轮端面半径r

计算纤维排布面内的砂轮端面楔角，记第i个轨迹点对应的纤维排布面内的砂轮端面楔角

其中，β为迭代算法计算过程中的砂轮端面倒角角度迭代设计值，在迭代过程中该值不断变化，迭代算法首次计算时β取β

计算纤维排布面内纤维方向与砂轮侧面轮廓的夹角Δ，并基于Δ调整砂轮端面倒角设计参数：

记Δ

取砂轮移动过程中Δ

Δ为带有正负号的标量，正负号可用于标记未断裂纤维首次发生的位置，具体方式为：

当Δ

当Δ

当Δ

为保证加工质量，则需要满足Δ

其中，砂轮端面拐点为纤维排布面内砂轮端面轮廓线与砂轮端面倒角面轮廓线交点，砂轮侧面拐点为纤维排布面内砂轮侧面轮廓线与砂轮端面倒角面轮廓线交点；

通过判断Δ

若Δ

若Δ

若Δ

当纤维方向角的最大值θ

输入砂轮端面半径r

计算纤维排布面内的砂轮端面楔角，记第i个轨迹点对应的纤维排布面内的砂轮端面楔角ψ′

其中，β为迭代算法计算过程中的砂轮端面倒角角度迭代设计值，在迭代过程中该值不断变化，迭代算法首次计算时β取β

计算纤维排布面内纤维方向与砂轮侧面轮廓的夹角Δ，并基于Δ调整砂轮端面倒角设计参数：

记Δ

Δ

取砂轮移动过程中Δi的最小值，并记为Δ

为保证加工质量，则需要满足Δ

若Δ

若Δ

在加工过程中由于工件变形，纤维排布不均匀等因素，在砂轮端面倒角角度取最优设计值附近时，仍有一定概率产生加工毛刺，为进一步对毛刺的生成过程进行抑制，在保证砂轮端面倒角强度的条件下，进一步对砂轮端面倒角角度迭代输出值β

将砂轮端面倒角角度迭代输出值β

在迭代过程中，砂轮端面倒角长度初始设计值b

在砂轮端面倒角角度最终设计值β

砂轮的倒角线轮廓上分布的活跃磨粒数目应大于等于3。

本发明具有以下优点：

1、本发明针对现有CFRP加工易产生毛刺，去毛刺工序复杂的问题，提出一种纤维增强复合材料抑制毛刺加工砂轮倒角设计方法，可在加工过程中对毛刺进行抑制，具有工序简单，加工成本低的优点。

2、本发明可针对不同的加工工况，为其提供优质的解决方案，可在实现毛刺抑制的功能前提下，最大程度提高加工砂轮的强度，从而提高砂轮寿命。

基于上述理由本发明可在复合材料加工技术领域广泛推广，如纤维增强复合材料磨削加工、CFRP铣削加工等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为纤维增强复合材料端面加工示意图；

图2为加工过程中砂轮切出角度几何示意图；

图3为纤维排布面内纤维方向与砂轮侧面轮廓几何示意图；

图4为碳纤维薄壁圆筒壳磨削加工示意图；

图5为传统的135°倒角砂轮磨削碳纤维薄壁圆筒壳已加工表面形貌；

图6为基于本发明设计的倒角砂轮磨削碳纤维薄壁圆筒壳已加工表面形貌。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法，具有如下步骤：

步骤1、夹具夹紧工件两侧纤维铺层面，装夹面平行于纤维排布面，使工件可靠装夹，并保证加工过程中砂轮轴线平行于纤维排布面；

如图1所示，工件为由CFRP预浸料铺层制成的单向或多向纤维增强复合材料层压板，所述纤维排布面与平面构件切出壁平面重合，砂轮切出点位于平面构件切出壁平面，在加工过程中砂轮端面和侧面统一参与材料去除过程，其中砂轮端面与已加工表面相接触，砂轮侧面与待加工表面相接触；

步骤2、确定砂轮端面半径r

根据机床功率、机床主轴转速及工件结构参数，结合工件材质对砂轮切削速度的要求及工件结构对砂轮尺寸的限制，确定砂轮端面半径r

工件材质为CFRP；

所述砂轮端面半径r

加工过程中，砂轮参与切削加工并与已加工表面相接触的一端为砂轮端面，其半径即为所述砂轮端面半径r

步骤3、确定砂轮轨迹：

根据工件去除需求及工件结构，结合砂轮端面半径r

步骤4、获得砂轮切出角度φ及纤维方向角θ在砂轮移动过程中的变化规律：

如图2所示，将砂轮轨迹离散为由n个轨迹点组成的轨迹点阵列，计算每个轨迹点对应的砂轮切出角度φ及纤维方向角θ，获得砂轮切出角度φ及纤维方向角θ在砂轮移动过程中的变化规律，计算过程如下：

按照砂轮移动的先后顺序对每个轨迹点进行编号；

砂轮切出角度φ为加工过程中砂轮切出点切削速度方向与该砂轮切出点对应的纤维排布面之间的夹角，并记第i个轨迹点对应的砂轮切出角度为φ

其中，l

记Φ＝(φ

纤维方向角θ为纤维排布面内砂轮进给方向与纤维方向的夹角，即砂轮进给方向顺时针旋转至与纤维方向平行所转过的角度；

记第i个轨迹点对应的纤维方向角为θ

步骤5、根据纤维方向角θ在砂轮移动过程中的变化规律，初步确定：砂轮端面倒角角度初始设计值β

当纤维方向角的最大值θ

输入砂轮端面半径r

计算纤维排布面内的砂轮端面楔角，记第i个轨迹点对应的纤维排布面内的砂轮端面楔角

其中，β为迭代算法计算过程中的砂轮端面倒角角度迭代设计值，在迭代过程中该值不断变化，迭代算法首次计算时β取β

如图3所示，计算纤维排布面内纤维方向与砂轮侧面轮廓的夹角Δ，并基于Δ调整砂轮端面倒角设计参数：

记Δ

取砂轮移动过程中Δ

为保证加工质量，则需要满足Δ

若Δ

若Δ

若Δ

当纤维方向角的最大值θ

输入砂轮端面半径r

计算纤维排布面内的砂轮端面楔角，记第i个轨迹点对应的纤维排布面内的砂轮端面楔角ψ′

其中，β为迭代算法计算过程中的砂轮端面倒角角度迭代设计值，在迭代过程中该值不断变化，迭代算法首次计算时β取β

计算纤维排布面内纤维方向与砂轮侧面轮廓的夹角Δ，并基于Δ调整砂轮端面倒角设计参数：

记Δ

Δ

取砂轮移动过程中Δ

为保证加工质量，则需要满足Δ

若Δ

若Δ

步骤6、在保证砂轮端面倒角强度的条件下，进一步对砂轮端面倒角角度迭代输出值β

将砂轮端面倒角角度迭代输出值β

在砂轮端面倒角角度最终设计值β

实施例1

一种用于CFRP磨削的砂轮设计方法，以电镀金刚石砂轮作为待设计砂轮，以CFRP薄壁圆筒壳为工件，开展砂轮端面倒角尺寸设计，对本发明方法进一步说明并验证其可靠性，具有如下步骤：

步骤1、确定可靠的装夹方案，保证加工过程中砂轮轴线平行于纤维排布面。如图4所示，所述电镀金刚石砂轮的磨粒粒度为#280，所述碳纤维增强复合材料薄壁圆筒壳的外径为40mm，所述碳纤维增强复合材料薄壁圆筒壳由4层预浸料叠层制成，层-层之间纤维方向交叉90°排列，每层预浸料纤维方向与水平方向夹角为45°。所述电镀金刚石砂轮的轴线平行于纤维排布面，纤维排布面过所述电镀金刚石砂轮切出点并与所述碳纤维增强复合材料薄壁圆筒壳外壁相切；

步骤2、根据机床功率、机床主轴转速及工件结构参数，结合纤维增强复合材料对砂轮切削速度的要求及所述碳纤维增强复合材料薄壁圆筒壳对砂轮尺寸的限制，确定砂轮端面直径r

步骤3、根据工件去除需求及工件结构，结合砂轮端面半径r

步骤4、将砂轮轨迹离散为由n个切削点组成的切削点阵列，计算每个切削点对应的砂轮切出角度φ及纤维方向角θ，获得砂轮切出角度φ及纤维方向角θ在砂轮移动过程中的变化规律，在加工过程中砂轮沿圆弧插补，轨迹点距离其纤维排布面的距离l恒为17.32mm，砂轮切出角度恒为30°，砂轮切出角度最大值φ

步骤5、由于纤维方向角最大值为45°，介于0～90°，较为合理的砂轮端面倒角角度设计范围介于90°～180°，则砂轮端面倒角角度初始设计值β

步骤6、在保证砂轮端面倒角强度的条件下，进一步对砂轮端面倒角角度迭代输出值β

将基于迭代算法计算得到的砂轮端面倒角角度迭代输出值β

之后制作所述电镀金刚石砂轮并开展端面磨削试验，取磨削线速度为120m/min，进给速度为500mm/min，其中，图5为传统的135°倒角砂轮磨削碳纤维薄壁圆筒壳已加工表面形貌，图6为基于本发明设计的倒角砂轮磨削CFRP薄壁圆筒壳已加工表面形貌。相比于传统设计方法，本发明方法在最大限度保证砂轮刀尖强度的前提下，对砂轮结构参数进行重新设计，重新设计的砂轮在CFRP磨削加工过程中有效抑制了加工毛刺缺陷，已加工表面质量得到了显著的提升。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。