基于径向基函数神经网络的CFRP切削力预测

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工中基体相极易因切削力过大而破坏,并迅速扩展至加工表面以下而形成损伤。为了准确预测其切削力并加以控制,基于实验切削力数据建立了人工神经网络切削力模型,预测了不同纤维角度、切削深度和刀具角度下加工CFRP的切削力变化规律,并完成了不同刀具角度及切削参数下典型纤维角度CFRP单向板的直角切削实验,对预测模型进行验证,其预测精度可达85%以上。结合成屑过程在线显微观测结果可知:纤维角度是影响CFRP切削力的主要因素, 0°~135°范围内,切屑形成方式为切断型和开裂后弯断型;切削力随纤维角度增大呈先减小后增大的趋势, 135°时最大,随切削深度增加,切削力总体呈增大趋势。      

考虑孔隙缺陷的CFRP微观切削仿真与实验研究

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在航空航天等领域应用广泛。在CFRP制造过程中难以避免会产生孔隙等缺陷,对后续的切削加工造成一定影响。在考虑了CFRP成型过程形成的孔隙缺陷基础上,运用有限元仿真模拟方法,从纤维-树脂-界面尺度建立了含孔隙缺陷的CFRP微观切削仿真模型,研究了不同孔隙率条件下不同纤维排布方向的CFRP微观切削行为,并通过实验验证了仿真模型的正确性。研究结果表明:孔隙的存在会增加刀具的“空切”现象,从而对CFRP切削过程的切削力、材料破坏及亚表面损伤、材料能量等产生影响。随孔隙率的增加,切削力呈下降趋势,孔隙边缘的纤维产生整体断裂的倾向增加;孔隙对0°、45°和135°纤维排布方向的CFRP切削加工的面下损伤影响不大,在纤维排布方向为90°条件下,孔隙率高于3vol%时对加工表面的面下损伤具有较大影响;在材料内部能量耗散方面,“顺切”(纤维方向角小于90°)时的总耗散能低于“逆切”,随孔隙率增加,总耗散能降低。      

考虑纤维方向分布的玻纤增强PP复合材料拉伸性能

纤维方向及其分布对玻纤增强PP复合材料的力学特性具有至为关键的影响。提出了一种快速获取纤维数量及每根纤维方向的方法。通过引入方向张量, 利用Moldflow软件进行玻纤增强PP树脂注塑成型模拟获得纤维方向的平均分布, 结合显微方法观察判断特定点的纤维沿厚度方向的分层情况及定量判断纤维方向的分布。对轿车玻璃纤维增强注塑仪表板的纤维方向相对一致处取与纤维方向呈0°、45°、90°的样条, 通过拉伸实验测得拉伸模量, 利用所提出的方法研究了仪表板内玻纤方向的分布及其对拉伸模量的影响。研究结果表明: 玻纤增强注塑仪表板的力学性能是各向异性的, 其沿厚度方向纤维按方向大致可分为三层。     

考虑纤维方向分布的玻纤增强PP复合材料拉伸性能

纤维方向及其分布对玻纤增强PP复合材料的力学特性具有至为关键的影响.提出了一种快速获取纤维数量及每根纤维方向的方法.通过引入方向张量,利用Moldflow软件进行玻纤增强PP树脂注塑成型模拟获得纤维方向的平均分布,结合显微方法观察判断特定点的纤维沿厚度方向的分层情况及定量判断纤维方向的分布.对轿车玻璃纤维增强注塑仪表板的纤维方向相对一致处取与纤维方向呈0°、45°、90°的样条,通过拉伸实验测得拉伸模量,利用所提出的方法研究了仪表板内玻纤方向的分布及其对拉伸模量的影响.研究结果表明:玻纤增强注塑仪表板的力学性能是各向异性的,其沿厚度方向纤维按方向大致可分为三层.     

基于宏观各向异性碳纤维增强树脂基复合材料的切削仿真

为了对碳纤维增强树脂基复合材料切削加工过程中的基体破坏及亚表层损伤机制进行研究,借助数值仿真方法建立了基于宏观各向异性的复合材料正交切削有限元模型。采用Hashin-Damage失效准则,通过定义纤维拉伸断裂、压缩屈曲极限应力及基体横向拉伸断裂、剪切断裂极限应力等数值,建立了复合材料切削加工动态物理仿真模型。通过切削力仿真值与实验值的比较,验证了仿真模型的有效性。通过对0°和90°纤维方向复合材料基体开裂和压溃的分析发现,当进入稳定切削后,基体开裂方向与纤维方向平行,而基体的压溃主要发生在刀尖周围。分析了纤维方向对复合材料亚表面损伤深度的影响,随着纤维方向角度的增加,工件亚表面裂纹损伤深度呈增长趋势。     

典型螺栓连接CFRP薄壁C型柱轴压失效行为:试验及数值模拟

为了研究典型螺栓连接碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)薄壁C型柱的轴压失效模式及吸能特性,进行了5组不同铺层方式C型柱的准静态轴压试验,即[0/90]_4s、[±45]_4s、[±45/90₂/0₄]_s、[±45/90/0₂/90/0₂]_s、[90/±45/0]_2s,获得其失效形貌及载荷-位移曲线。采用Lavadèze单层壳单元模型、Puck-Yamada失效准则、层间胶粘单元及螺栓模型,建立C型柱层合壳模型进行轴压仿真,并与试验失效形貌、载荷-位移曲线及吸能特性评估指标进行对比分析。结果表明:0°、±45°、90°纤维可以显著影响C型柱轴压失效模式及吸能特性。在轴压载荷下,±45°纤维铺设C型柱发生局部屈曲失效模式,吸能特性差。±45°纤维铺设在外部,0°和90°纤维交替铺设在内部的C型柱,其轴压失效过程平稳,吸能特性好。与C型柱轴压试验结果相比,层合壳模型获得的整体变形和局部失效形貌吻合较好,载荷-位移曲线变化趋势和吸能特性评价指标基本一致。研究结果对CFRP薄壁C型柱吸能设计具有一定的指导意义。      

基于分子动力学的单晶硅纳米振动切削过程

为了研究脆性材料单晶硅原子级的纳米振动切削加工去除机制，应用分子动力学，通过改变刀具椭圆振动切削的模式，进行单晶硅纳米振动切削仿真．仿真结果表明，主切削力和法向力的变化趋势总体上呈现正弦曲线变化，并且已加工表面不同深度的亚表层存在残余应力；同时在不同切削模式下，由于刀具法向的振幅增加，使得法向力和残余应力增大；当刀具通过已加工表面时，残余应力随着亚表层深度降低而减弱；刀具法向振幅高于主切削力方向振幅时，法向力峰值高于主切削力峰值，已加工表面亚表层没有明显驰豫现象．     

超声振动辅助铣磨加工对CFRP切削力和表面质量的影响

为研究超声振动辅助铣磨加工对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)切削力和表面质量的影响,建立了超声振动辅助铣磨加工的切削力模型,进行了磨粒运动轨迹、刀具锋利化效果及单颗磨粒切厚的理论分析及试验验证。结果表明:超声振动辅助铣磨加工与传统铣磨加工相比切削力更小、加工质量更好。当每齿进给量从4μm/z增加到8μm/z时,超声振动辅助铣磨加工的切削力增加了44.7%,小于传统铣磨加工的84.9%;同样,当切深从200μm增加到400μm时,超声振动辅助铣磨加工的切削力增加了187.8%,小于传统铣磨加工的209%;在相同加工参数下,超声振动辅助铣磨加工的工件表面与传统铣磨加工相比,树脂涂覆、表面凹坑和纤维拔出量明显减少。      

聚酰亚胺树脂基MT300/KH420复合材料高温力学性能(Ⅱ)——弯曲性能

从宏、微观的角度研究了碳纤维增强聚酰亚胺树脂基MT300/KH420复合材料的高温力学性能,重点揭示了MT300/KH420复合材料[0°]14和[±45°/0°/90°/+45°/0°2]s层合板在常温~500℃的弯曲性能变化规律。研究表明:MT300/KH420复合材料高温力学性能优异,[0°]14层合板在420℃的弯曲强度保持在51%以上,弯曲模量在500℃以内变化很小。[0°]14层合板在常温下断口粗糙,且贯穿厚度,表现为脆性破坏;随温度升高,树脂流动性增强,呈现出黏弹效应,破坏逐渐集中在加载点处,在500℃,部分树脂热解,纤维束脱离基体并氧化。[±45°/0°/90°/+45°/0°2]s层合板高温弯曲性能较为稳定,主要破坏为上、下表面沿45°方向开裂,并伴有层间分离,在500℃出现严重分层破坏;相比于受基体控制的层合板弯曲性能,温度对受纤维控制的层合板弯曲性能影响较小。     

双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料弯曲性能

经纬纱和针织纱分别选用不同线密度的高模高强玄武岩纤维,以不同衬纱方式编织出机织针织复合(CWK)织物和多层双轴向纬编(MBWK)织物,并以其作为增强体,采用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料.对两种复合材料0°、90°和45°方向的弯曲性能进行测试,分析比较了弯曲应力-应变特征曲线及纱线强度.结果表明:两种复合材料具有较好的弯曲性能,0°和90°方向的弯曲性能均优于各自45°方向的,弯曲应力-应变曲线均表现出一定的塑性破坏特征;MBWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能又分别高于CWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能;复合材料中经纱和纬纱的屈曲程度不同,致使MBWK织物增强复合材料的比模量和纱线强度均高于CWK织物增强复合材料,两种复合材料的弯曲性能受不同衬纱方式的影响,而两种复合材料试样的弯曲破坏形态相近.研究结果为双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料的应用提供了参考.     

玻璃纤维/聚丙烯复合材料层合板拉深成型性

为研究纤维增强树脂复合材料零部件快速成型,加速复合材料零部件大规模产业化量产,以玻璃纤维/聚丙烯复合材料层合板为实验对象,首先利用设计加工的拉深成型模具,进行了玻璃纤维增强热塑性树脂复合材料（Glass fiber reinforced thermoplastic resin composite,GFRTP）板材外表面纤维方向和模具长轴方向为0°和90°的试件在不同温度和不同拉深深度条件下的深拉深成型实验,将成型件制备金相试件在光学显微镜下进行微观组织观察,并对试件的成型情况和不同拉深力-行程曲线进行分析。其后进行了GFRTP板材外表面纤维方向和模具长轴方向为0°、45°和90°的试件的不同温度下的浅拉深成型实验,并对成型后的试验件进行了室温条件下的拉伸性能测试,对其拉伸失效情况及具体力学性能进行了对比分析。试验结果表明,在室温25℃到基体树脂的熔融温度165℃之间,随着温度的升高,板材的极限拉深深度增大,最大拉深力呈下降趋势。在选取的试验温度范围内,85℃时试件成型性能较好且0°试件优于90°试件,温度对拉深成型试件的皱曲改善不明显。浅拉深成型试件拉伸力学特性受试件铺层纤维方向的影响较大,防止皱曲等缺陷的发生对GFRTP板材拉深成型十分重要。     

基于细观仿真建模的CFRP细观破坏

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在细观上呈现纤维、树脂及界面组成的混合态,其切削加工过程的实质为刀具作用下材料细观层面的破坏至切屑宏观形成的演化过程。为了揭示CFRP切削加工过程中材料的细观破坏,建立了CFRP切削的细观有限元模型。该模型在几何上包含了纤维、基体及界面等组成相,而不是使用传统的等效均质建模方法。各组成相不仅考虑了各自不同的材料本构,而且为了能够模拟材料破坏,还将各组成相材料的失效及演化准则考虑其中。该模型可从细观层面更真实地模拟不同纤维角度CFRP单向板切削过程中纤维/基体断裂、界面开裂及演化的过程。仿真结果表明:不同纤维角度下CFRP细观破坏不同,切削0℃FRP时以界面开裂和纤维弯断为主;切削45°/90℃FRP时主要是刀具侵入工件,纤维基体被压断;切削135℃FRP时则以纤维弯曲断裂为主,断裂面往往在加工面以下。通过实验显微在线观测手段验证了模拟结果的正确性。      

多齿铣刀侧铣加工多层CFRP铣削力的建模与仿真

由于碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的层间结合强度较低,进行切削加工时在切削力的作用下容易出现分层和毛刺等质量缺陷。因此,通过对切削力的预测与控制可以有效提高加工质量。采用瞬时刚性力模型对多齿铣刀侧铣多层CFRP材料的加工过程进行铣削力建模与仿真,分析了多齿铣刀特有的几何结构对切削力的影响。试验中保持切削速度恒定,以不同进给速度分别对45°、0°、-45°和90°这4种典型纤维方向的单向CFRP进行侧铣加工,通过测得的切削力数据计算各自的铣削力系数。根据力学矢量叠加原理得到了多向CFRP铣削力系数的简化计算表达式,最后将计算结果代入铣削力模型得到了各时刻的铣削力仿真值。在同样的试验条件下对该多向CFRP进行侧铣加工验证试验,试验结果表明: 该模型能较好地预测铣削力,最大相对误差小于9%,平均相对误差小于5%,可为铣削参数优化和刀具结构优化提供理论基础。     

碳纤维束间的摩擦磨损特性

为了对碳纤维束的磨损程度进行定量分析以及探索碳纤维束间摩擦磨损机制,采用自制的摩擦模拟实验装置,研究了摩擦次数、加载力、摩擦角度对碳纤维束摩擦损伤的影响。通过对比摩擦前后碳纤维束的拉伸断裂强力、毛羽量和表面浆膜形态评价了其磨损程度。结果表明:随着摩擦次数、加载力的增大,碳纤维束的磨损程度逐渐加剧;当摩擦角度在90°~30°范围变化时,碳纤维束的拉伸断裂强力随着角度的减小而小幅度下降;而当摩擦角度为0°时,碳纤维束的拉伸断裂强力急剧下降。同时,结合纤维束接触理论和黏性薄膜压痕法揭示了碳纤维束摩擦损伤机制,发现有效接触面积的变化是导致碳纤维束磨损程度改变的主要因素,且纤维束间的有效接触面积随加载力的增大而增大,随摩擦角度的增大而减小。      

碳纤维-玻璃纤维层内混杂单向增强环氧树脂复合材料拉伸性能

采用不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维层内经向混编单轴向织物制备了混杂纤维增强环氧树脂复合材料, 研究了不同混杂结构和不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能的变化及破坏形式。0°拉伸结果表明:同种混杂织物的不同混杂结构中, 碳纤维相对集中的完全对齐结构强度最高, 不同混杂比织物的完全对齐结构强度相当;碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的模量遵循混合定律。90°拉伸结果表明:纤维与树脂间的界面结合强度为碳纤维/树脂>玻璃纤维/树脂, 碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的强度、模量与材料厚度方向上界面的不同形式(单一或交替界面、碳纤维或玻璃纤维的分布位置等)有关, 与碳纤维的含量基本无关。      

Study of milling force variation in ultrasonic vibration-assisted end milling

Ultrasonic vibration cutting has been proved to be an effective cutting technology for its excellent cutting performance and has been widely applied in turning and drilling process. However, this kind of technology is rarely tried in milling process. In cutting process, cutting force is an important process parameter, which affects surface finish and tool wear. This paper investigates the milling force variation in ultrasonic vibration-assisted end milling process through a series of slot-milling experiments. The main research contents include two parts, one is the effect of the externally excited vibration on milling force in milling process, and the other is the influence of milling and vibrating parameters matching on milling force value. Experimental results show that ultrasonic vibration can change traditional milling conditions, realize separate-type milling, obtain similar pulse-like profiles of cutting forces, reduce average cutting force value; and the peak value of the feed direction cutting force can also be greatly decreased by adopting reasonable vibration amplitude, an optimal combination of machining parameters is of great benefit to achieving small cutting force. According to the experimental findings, ultrasonic vibration-assisted milling is a prospective technology to achieve precision milling of small part.     

Development of a novel cooling system-assisted minimum quantity lubrication method for improvement of milling performance

This paper presents a novel lubrication method for milling processes that employs cooling system-assisted minimum quantity lubrication (CSMQL) using a thermoelectric cooling system. The CSMQL method improves the cooling effect in the cutting area and enhances processing quality, in addition to reducing energy consumption. Four different coolant strategies including CSMQL, dry, minimum quantity lubrication (MQL), and wet methods were compared in processing mill die steel (SKD11), which is widely used in industry. Different aspects of the milling performance (e.g. surface roughness, morphology, milling temperature, and milling forces) were investigated using these coolant strategies. The experimental results show that not only is the surface roughness of steel milled using CSMQL better than that of steel milled using dry and MQL methods, but CSMQL also produces fewer tool marks on the workpiece surface. In addition, it was found from observations of chip color that using the CSMQL method reduced the cutting temperature by 27% and the cutting force by 22%, compared with dry machining. In summary, the use of CSMQL can not only improve the surface roughness and reduce the cutting force and cutting temperature, but also promote processing quality. This study will help researchers develop more efficient cooling strategies in the future.