碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料磨削力模型的建立方法技术

本发明专利技术提供一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料磨削力模型的建立方法，涉及碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料磨削加工技术领域。该方法简化Cf/SiC复合材料磨削过程并求解相关参数，然后建立磨粒作用于纤维未断裂前的力学模型，计算单颗磨粒作用于单根未断裂纤维的切向磨削分力和反应纤维与磨粒之间的相对运动所产生的摩擦力的法向磨削分力；最后建立磨粒作用于单根纤维已断裂区域的力学模型，计算由摩擦引起的法向和切向磨削分力，进而得到在磨削加工Cf/SiC复合材料的总体切向磨削力及法向磨削力。本发明专利技术方法通过分析纤维断裂前后磨削力的来源，并建立了Cf/SiC复合材料磨削加工的磨削力与相关参数之间的定量关系，为实际工艺参数的设定提供理论依据。

Establishment of Grinding Force Model for Carbon Fiber Reinforced Silicon Carbide Ceramic Matrix Composites

【技术实现步骤摘要】
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料磨削力模型的建立方法
本专利技术涉及碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料磨削加工
，尤其涉及一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料磨削力模型的建立方法。
技术介绍
高模量的碳纤维和高强度的碳化硅(SiC)基体构成了具有低密度、高硬度、可加工性好的碳化硅陶瓷基(Cf/SiC)复合材料，其总体密度约为高温合金的1/2～1/4，同时强度提高至2～3倍，可在1100℃～1400℃的环境下稳定工作。因此，多个发达国家的发动机制造商积极开展陶瓷基复合材料的技术研究，逐步开展其在高温件、热端件等部位的应用。Cf/SiC复合材料一般采用近净成形工艺，但为达到合理的加工质量和装配精度，需对零件进行二次机械加工。Cf/SiC复合材料是通过气相沉积工艺将碳化硅均匀沉积至碳纤维编织预制体中的一种复合材料。碳纤维增强相、界面及包裹在最外侧的碳化硅基体构成基本单元。碳纤维的弯曲强度远大于碳化硅基体，保证了Cf/SiC复合材料具有优于陶瓷材料的可加工性。因此，砂轮磨削加工材料去除的实质是微观层面上基体、界面裂纹的扩展和纤维剪切挤压破碎并最终磨屑成形的复杂过程。磨削过程中，不合理的磨削参数极易造成长且深的界面裂纹，并最终形成严重的表面缺陷，同时也显著降低砂轮的使用寿命。因此，从Cf/SiC复合材料的磨粒磨削本质出发，根据基本单元中纤维破坏机理，建立磨削过程模型，研究材料去除机理和裂纹扩展机制的基本准则，最终指导合理工艺标准的建立以达到提高磨削效率并降低表面损伤的实际工业应用目标。中国技术专利(申请号201621441031.1，申请日2016.12.27)公开了一种碳纤维复合材料边缘磨削装置，该装置由砂轮及相应夹具构成，具有较高的打毛刺精度及安全性，但该专利没有考虑纤维断裂的细观原因，仅是在实践的基础上构建的装置；中国专利技术专利(申请号201610446046.5，申请日2016.06.20)公开了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)切削磨削的建立方法，主要涉及CFRP切削加工研究领域。该专利基于纤维切断模型、接触模型及压剪模型，建立CFRP切削力模型，而未建立磨削力模型。磨削过程类似于无数把负前角的车刀同时切削材料，更加复杂。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料磨削力模型的建立方法，建立Cf/SiC复合材料的磨削力模型。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料磨削力模型的建立方法，包括以下步骤：步骤1、简化Cf/SiC复合材料磨削过程并求解相关参数；在Cf/SiC复合材料磨削力模型建立过程中做出如下假设：砂轮修整及时，不存在钝化现象；磨粒在砂轮粘合剂中均匀分布；纤维与基体为无缝隙的同心圆柱，并作为本磨削力模型构建的基本单元，并假定为等效均质体；所述Cf/SiC复合材料磨削过程，加工方式为金刚石砂轮磨削，需要求解的相关参数包括砂轮磨削区域磨刃密度C、磨粒开始接触单根纤维至完全脱离纤维所经历的时间t1、单颗磨粒实际经历的弧长lm、磨削过程所对应的弧长中实际参与的磨粒个数Nn1及纤维未断裂区域的切向磨削分力Ft1；对于Cf/SiC复合材料，砂轮磨削区域磨刃密度如下公式所示：其中，C是砂轮磨削区域磨刃密度，ψ是Cf/SiC复合材料磨削过程中参与磨削的磨粒比例，ζ是砂轮内金刚石磨粒的体积分数，Dm是金刚石磨粒的等效球形直径，如下公式所示：Dm＝15.2M-1(2)其中，M为砂轮的粒度；当磨粒与纤维接触并开始磨削时，所作用的纤维根数N如下公式所示：N＝Dm/(Dc+2ds)(3)其中，Dc为碳纤维的平均直径，ds为碳化硅基体环单侧厚度；磨削过程中，当磨粒开始接触单根纤维至完全脱离纤维所经历的时间t1为：t1＝Dc/vw(4)其中，vw为工作台进给速度；此时，单颗磨粒实际经历的弧长lm为：lm＝t1×vs(5)其中，vs为砂轮线速度；通过式(1)及显微镜观察法计算并验证砂轮密度及单位长度上磨粒个数n，同时得到磨削过程所对应的弧长中实际参与的磨粒个数Nn1，如下公式所示：Nn1＝lm×n(6)因此，纤维未断裂区域的切向磨削分力Ft1如下公式所示：Ft1＝Nn1×N×K×Ftx(7)其中，K为砂轮宽度，Ftx为单颗磨粒作用于单根未断裂纤维的切向磨削分力；步骤2、建立磨粒作用于纤维未断裂区域的力学模型；首先建立基体环绕约束的单纤维切断模型，描述受基体约束的纤维变形特点；依据模型沿纤维方向上的纤维受力和承受的基体约束作用不同，沿纤维长度方向按边界条件不同，将纤维分为两段；第一段纤维为磨粒与纤维接触点至纤维与基体界面开裂终点，即OB段纤维，满足z≤ap+h，其中z为纤维某一点在Z轴上的坐标值，ap为磨削深度，h为纤维-基体界面脱粘深度；第二段纤维为纤维与基体界面开裂终点至纤维另一端的端点，即B点至纤维另一端，满足ap+h＜z；针对长度为dz的纤维微元体建立如下平衡方程：其中，Q是纤维微元体内剪切力，dQ是微元体内剪切力的微小增量，pm为微元体的反作用力强度，pb是微元体内纤维-基体结合面的结合力密度，M是纤维微元体内弯矩，dM是微元体内弯矩的微小增量，kb是微元体内纤维-基体结合面的等效模量，dx为长度为dz的纤维微元体的挠度，km为纤维周围材料支撑的参数，反映了纤维弯曲时周围材料对它的法向约束程度，且满足以下公式：其中，Em、vm分别为等效均质体的横向杨氏模量和泊松比，Ef、If分别为纤维截面的横向杨氏模量和惯性矩；基于梁弯曲理论，得到：d2x/dz2＝-M/EfIf(11)最终得到纤维微元体控制方程为：其中，x为纤维挠度，该纤维微元体控制方程的解为：x＝eλz(C1cosλz+C2sinλz)+e-λz(C3cosλz+C4sinλz)(13a)或者x＝coshλz(B1cosλz+B2sinλz)+sinhλz(B3cosλz+B4sinλz)(13b)其中，C1，C2，C3，C4，B1，B2，B3，B4均为常数，coshλz＝(eλz+e-λz)/2，sinhλz＝(eλz-e-λz)/2；进而求得根据边界条件划分的两段纤维的挠度解为：其中，x1为第一段纤维的挠度，x2为第二段纤维的挠度，F1(λz)＝coshλzcosλz，F2(λz)＝(coshλzsinλz+sinhλzcosλz)/2，F3(λz)＝sinhλzsinλz，F4(λz)＝(coshλzsinλz-sinhλzcosλz)/2因此，单颗磨粒作用于单根未断裂纤维的切向磨削分力为：其中，kmb是在基体支撑条件下纤维与基体结合面的等效模量；因此，需求解的参数有：C1，C2，C3，C4，B1，B2，B3，B4，h，共计9个；同时，两段纤维的偏转斜率ki，弯矩Mi，剪切力Qi，i＝1、2，如下公式所示：在纤维维断裂前，纤维挠度连续，利用如下的纤维边界条件及不同支撑约束的过渡条件求解上述未知参数C1，C2，C3，C4，B1，B2，B3，B4，h；在纤维顶端，即z＝0处的纤维挠度x1|z＝0为：x1|z＝0＝vwt(22)其中，t为纤维-基体界面脱粘深度为h时消耗的时间；在纤维-基体界面脱粘点B处，即z＝zB＝ap+h：其中，为第一段纤维在z＝zB＝ap本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料磨削力模型的建立方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、简化Cf/SiC复合材料磨削过程并求解相关参数；在Cf/SiC复合材料磨削力模型建立过程中做出如下假设：砂轮修整及时，不存在钝化现象；磨粒在砂轮粘合剂中均匀分布；纤维与基体为无缝隙的同心圆柱，并作为本磨削力模型构建的基本单元，并假定为等效均质体；所述Cf/SiC复合材料磨削过程，加工方式为金刚石砂轮磨削，需要求解的相关参数包括砂轮磨削区域磨刃密度C、磨粒开始接触单根纤维至完全脱离纤维所经历的时间tl、单颗磨粒实际经历的弧长lm、磨削过程所对应的弧长中实际参与的磨粒个数Nn1及纤维断裂前的切向磨削力Ft1；步骤2、建立磨粒作用于纤维未断裂区域的力学模型；首先建立基体环绕约束的单纤维切断模型，描述受基体约束的纤维变形特点；依据模型沿纤维方向上的纤维受力和承受的基体约束作用不同，沿纤维长度方向按边界条件不同，将纤维分为两段；然后根据边界条件计算两段纤维的挠度，进而得到单颗磨粒作用于单根未断裂纤维的切向磨削分力Fx1；最后再根据库伦摩擦定律，计算反应纤维与磨粒之间的相对运动所产生的摩擦力的法向切削分力Fn1；步骤3、建立磨粒作用于单根纤维已断裂区域的力学模型；首先对随机分布在砂轮表面的磨粒突出高度进行考察，计算砂轮接触面上动态有效磨刃数Nd；然后计算平面磨削加工过程中磨粒顶端摩擦造成的法向磨削分力Fn2及切向磨削分力Ft2；最终得到在磨削加工Cf/SiC复合材料时的总体切向磨削力Ft及法向磨削力Fn。...

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料磨削力模型的建立方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、简化Cf/SiC复合材料磨削过程并求解相关参数；在Cf/SiC复合材料磨削力模型建立过程中做出如下假设：砂轮修整及时，不存在钝化现象；磨粒在砂轮粘合剂中均匀分布；纤维与基体为无缝隙的同心圆柱，并作为本磨削力模型构建的基本单元，并假定为等效均质体；所述Cf/SiC复合材料磨削过程，加工方式为金刚石砂轮磨削，需要求解的相关参数包括砂轮磨削区域磨刃密度C、磨粒开始接触单根纤维至完全脱离纤维所经历的时间tl、单颗磨粒实际经历的弧长lm、磨削过程所对应的弧长中实际参与的磨粒个数Nn1及纤维断裂前的切向磨削力Ft1；步骤2、建立磨粒作用于纤维未断裂区域的力学模型；首先建立基体环绕约束的单纤维切断模型，描述受基体约束的纤维变形特点；依据模型沿纤维方向上的纤维受力和承受的基体约束作用不同，沿纤维长度方向按边界条件不同，将纤维分为两段；然后根据边界条件计算两段纤维的挠度，进而得到单颗磨粒作用于单根未断裂纤维的切向磨削分力Fx1；最后再根据库伦摩擦定律，计算反应纤维与磨粒之间的相对运动所产生的摩擦力的法向切削分力Fn1；步骤3、建立磨粒作用于单根纤维已断裂区域的力学模型；首先对随机分布在砂轮表面的磨粒突出高度进行考察，计算砂轮接触面上动态有效磨刃数Nd；然后计算平面磨削加工过程中磨粒顶端摩擦造成的法向磨削分力Fn2及切向磨削分力Ft2；最终得到在磨削加工Cf/SiC复合材料时的总体切向磨削力Ft及法向磨削力Fn。2.根据权利要求1所述的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料磨削力模型的建立方法，其特征在于：对于Cf/SiC复合材料，所述砂轮磨削区域磨刃密度如下公式所示：其中，C是砂轮磨削区域磨刃密度，ψ是Cf/SiC复合材料磨削过程中参与磨削的磨粒比例，ζ是砂轮内金刚石磨粒的体积分数，Dm是金刚石磨粒的等效球形直径，如下公式所示：Dm＝15.2M1(2)其中，M为砂轮的粒度；当磨粒与纤维接触并开始磨削时，所作用的纤维根数N如下公式所示：N＝Dm/(Dc+2ds)(3)其中，Dc为碳纤维的平均直径，ds为碳化硅基体环单侧厚度；磨削过程中，当磨粒开始接触单根纤维至完全脱离纤维所经历的时间t1为：t1＝Dc/vw(4)其中，vw为工作台进给速度；此时，单颗磨粒实际经历的弧长lm为：lm＝t1×vs(5)其中，vs为砂轮线速度；通过式(1)及显微镜观察法计算并验证砂轮密度及单位长度上磨粒个数n，同时得到磨削过程所对应的弧长中实际参与的磨粒个数Nn1，如下公式所示：Nn1＝lm×n(6)因此，纤维断裂前的切向磨削分力Ft1如下公式所示：Ft1＝Nn1×N×K×Ftx(7)其中，K为砂轮宽度，Ftx为单颗磨粒作用于单根未断裂纤维的切向磨削分力。3.根据权利要求2所述的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料磨削力模型的建立方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：将磨粒与纤维接触点至纤维与基体界面开裂终点，即OB段纤维定为第一段纤维为，满足z≤ap+h，其中，z为纤维某一点在Z轴上的坐标值，ap为磨削深度，h为纤维-基体界面脱粘深度；将纤维与基体界面开裂终点至纤维另一端的端点定为第二段纤维，即B点至纤维另一端，满足ap+h＜z；针对长度为dz的纤维微元体建立如下平衡方程：其中，Q是纤维微元体内剪切力，dQ是微元体内剪切力的微小增量，pm为微元体的反作用力强度，pb是微元体内纤维-基体结合面的结合力密度，M是纤维微元体内弯矩，dM是微元体内弯矩的微小增量，kb是微元体内纤维-基体结合面的等效模量，dx为长度为dz的纤维微元体的挠度，km为纤维周围材料支撑的参数，反映了纤维弯曲时周围材料对它的法向约束程度，且满足以下公式：其中，Em、vm分别为等效均质体的横向杨氏模量和泊松比，Ef、If分别为纤维截面的横向杨氏模量和惯性矩；基于梁弯曲理论，得到：d2x/dz2...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈硕硕，巩亚东，杨玉莹，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21