一种抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度获取方法技术

本发明专利技术公开了一种抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度获取方法，包括以下步骤：构建碳纤维层合板铣削毛刺与切削力角度的计算模型，获得切削力平行于碳纤维层的切削角度，并以此为基础通过设计正交实验，对指定工艺条件下的毛刺缺陷进行对比，选取有效抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度。本发明专利技术方法不需要对机床进行结构改造，具有操作方便简单，计算效率高，实用性好等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳纤维层合板复合材料铣削加工领域，具体涉及一种抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度获取方法。
技术介绍
碳纤维层合板拥有高比强度、高比模量、耐腐蚀性强、密度小以及优良的抗疲劳性等诸多有优点，目前在飞行器制造技术中，碳纤维层合板的应用已经成为一种趋势。该材料多相多层的特点决定了它的特殊性，与其他单相金属材料不同，对于这种材料的加工有较大的难度，其加工特点主要有以下几方面：1)它是一种具有分层结构的多相固体材料，每层预浸料之间的剪切和弯曲强度较低，在加工时易出现分层等缺陷；2)由于这种材料是由多层预浸料按照不同的纤维角度铺叠而成，所以它是一种非匀质材料，在材料性能上表现出各向异性，在切削时，刀具同时切削树脂基材和碳纤维的增强材料，所以切削过程中，会很容易出现纤维被拉断的情况，产生毛刺现象；3)这种材料的硬度很高，且具有良好的抗疲劳和耐磨损性能，同时，它的导热性能极差，加工时会产生大量的热量，且容易集聚在切削处不易排散，所以在加工时，会对加工刀具造成较大的磨损，而且产生的热量还可能对材料表面造成灼伤。国内外诸多学者对碳纤维层合板的铣削技术进行了研究。毕铭智等人通过对单向碳纤维层合板切削进行实验研究，发现当纤维方向角度与刀具运动方向平行时切削加工表面质量最好。大连理工大学李志凯等人对纤维方向对切削力和对表面质量方面分别进行了研究，发现切削力在纤维角度呈45°时达到最大。表面质量方面，当纤维方向角度为0°时工件表面质量最好，当纤维方向角度为45°时工件表面毛刺最严重。Nayak和Bhatnagar等对不同材料性能的碳纤维层合板进行了研究，发现在碳纤维层合板在机械加工过程中最常出现的质量问题既是纤维的拉出和破坏。目前针对碳纤维层合板的研究绝大多数都是针对纤维方向进行，研究结果表明铣削进给方向与纤维束方向呈一定角度时，可获得较好的铣削质量。这种铣削要求材料的所有纤维束铺向保持一致，才能在加工中实现这种加工。但在实际工程应用中，碳纤维层合板每层的纤维方向各不相同，在铣削时，无法满足每层的纤维角度呈理想状况，需要从改善铣削状态的方式抑制切削毛刺。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度获取方法，通过改变刀具与层压板的角度关系，实现铣削状态优化，用这种加工方法抑制加工中产生的毛刺，不需要对机床进行结构改造，具有操作方便简单，计算效率高，实用性好等优点。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度获取方法，包括以下步骤：步骤1：构建铣削毛刺与切削力角度的关系模型，计算切削力平行于碳纤维层的切削角度；步骤2：以计算所得的切削角度为基准，设计切削角度单因素正交实验，测量铣削毛刺的最大长度及出现概率；步骤3：通过实验结果对比，选取指定工艺条件下，能有效抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度。进一步的，通过计算理论切削角度，使得切削力平行于碳纤维层。进一步的，通过开展以理论切削角度为基准的正交实验，对指定工艺条件下的毛刺缺陷进行对比，通过理论与实验相结合的方法，选取有效的铣削切削角度，抑制碳纤维层合板铣削毛刺。进一步的，还包括步骤4：采用计算好的刀具侧倾角度进行验证试验，得到刀具侧倾铣削方法在碳纤维层合板复合材料铣削中对毛刺抑制的有效性。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：在加工碳纤维层合板复合材料时，刀具呈一定角度的侧倾铣削，对避免毛刺和减小缺陷长度等方面有着较为积极的影响。侧倾角β在趋近于刀具螺旋角θ的某一数值时获得最好的切削结果。最佳侧倾角β值的确定需要结合指定工况及使用的刀具进行试验测定。附图说明图1是碳纤维层合板结构示意图。图2是碳纤维层合板铣削分析。图3是碳纤维层合板切削时受力示意图。图4是在切削角度β＞0°的铣削方式说明。图5是在切削角度β＝0°的铣削方式说明。图6是不同切削角度的毛刺缺陷长度占比。图7是不同切削角度的最长毛刺长度。图8是刀具侧倾角分别为0°时铣削效果放大图。图9是刀具侧倾角分别为20°时铣削效果放大图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明，本专利技术方法包括构建铣削毛刺与切削力角度的关系模型，计算切削力平行于碳纤维层的切削角度。碳纤维层合板是由多层的预浸料按照不同的纤维方向铺叠而成，预浸料由增强材料碳纤维和基体材料树脂复合而成，其结构如图1所示。碳纤维层合板的铣削过程如图2所示。可以看出，由于刀具本身螺旋角的关系，在刀齿切削材料时，材料受到的铣削力为F，其方向垂直于刀齿的前刀面，将其分解为沿刀具进给方向的F1和垂直于工件表面的F2。在这种铣削方式下，F1提供有效的剪切力用以剪断碳纤维，分力F2的存在会使工件在纵向产生振动，从而影响铣削质量。为了得到更好的铣削质量，要求在铣削过程中尽可能的增大F1而减小F2。式中：θ为刀具螺旋角。刀具侧倾铣削是指刀具在刀具路径的法平面内与刀具路径法向之间保持一定夹角进行铣削的方法。图3为侧倾铣削状态下刀具切削碳纤维层合板时的受力情况。在刀齿切削材料时，材料受到的铣削力为F'，其方向垂直于刀齿的前刀面，将其分解为沿刀具进给方向的F1'和垂直于工件表面的F2'，由此可得：由此公式可以看出，随着侧倾角β的增大，F1'不断增大，F2'不断减小。当β＝θ时，F1'达到最大，F2'达到最小，此时在理论上达到最优铣削状态。因此，为了抑制切削毛刺，要求在铣削过程中尽可能的增大F1而减小F2，即理论计算的切削角度为β＝θ。以计算所得的切削角度为基准，设计切削角度单因素正交实验，测量铣削毛刺的最大长度及出现概率。以计算所得的加工角度β为基准，按照单因素正交实验设计方法设计正交实验。试验工况按照实际实际生产工况来制定，正交实验表如表1所示。表1切削角度正交实验序号机床转速(n)进给速度(f)径向切深(ae)侧倾角度(β)1nfae0°2nfaeθ-25°3nfaeθ-20°4nfaeθ-15°5nfaeθ-10°6nfaeθ-5°7nfaeθ8nfaeθ+10°表1中的侧倾角度水平值的差值建议选取5°，可以用尽可能少的试验次数找到较为理想的角度值，也可以根据实际要求减少或者增大这个差值，差值越小，工作量越大，得到的精度越高。差值越大，工作量越小，精度越低。完成试验后，采用数字式万能工具显微镜在放大50倍的情况下，测量铣削毛刺的最大长度及出现概率。(注：可根据具体的试验设备情况提高放大倍数，以提供精确的测量条件)毛刺的最大长度通过数字式万能工具显微镜直接量取，毛刺出现概率通过下式计算所得：通过实验结果对比，选取指定工艺条件下，能有效抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度，将测得的试验结果整理如表2所示。表2试验结果通过对试验结果进行图标分析，找到适合指定工况的有效抑制毛刺的切削角度。表3是通过数字式万能工具显微对侧倾角度铣削试件的测量结果。表3试验结果图6至图9是角度对缺陷抑制情况的说明。从中可以看出合理选择切削角度对毛刺的抑制有明显的效果，表明了本专利技术的有效性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度获取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建铣削毛刺与切削力角度的关系模型，计算切削力平行于碳纤维层的切削角度；步骤2：以计算所得的切削角度为基准，设计切削角度单因素正交实验，测量铣削毛刺的最大长度及出现概率；步骤3：通过实验结果对比，选取指定工艺条件下，能有效抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度。

【技术特征摘要】
1.一种抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度获取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建铣削毛刺与切削力角度的关系模型，计算切削力平行于碳纤维层的切削角度；步骤2：以计算所得的切削角度为基准，设计切削角度单因素正交实验，测量铣削毛刺的最大长度及出现概率；步骤3：通过实验结果对比，选取指定工艺条件下，能有效抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度。2.如权利要求1所述的一种抑制碳纤维层合板铣削毛刺的切削角度获取方法，其特征在于，通过计算理论切削角度，使得切削力平...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈雪梅，刘洪，刘蕾，丁国富，江磊，孙剑颖，肖海，方丁，
申请(专利权)人：西南交通大学，成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51