纤维增强热塑性树脂基复合材料周铣温度预测方法技术

本发明专利技术属于切削加工领域，公开一种纤维增强热塑性树脂基复合材料周铣温度预测方法，充分考虑了塑性变形热源、前刀面与切屑的摩擦热源、后刀面与已加工表面的摩擦热源这三大热源的产热量，由此确定了周铣过程中的切削总产热量；在此基础上，充分考虑了复材各向异性特征，求解了切削总产热量在刀具、工件及切屑中的分配比例；并最终形成了热塑性复材周铣温度预测方法，并结合实验验证了该计算方法的精度。本发明专利技术所涉及方法形式简单、功能实用，可大幅提升的热塑性复材周铣温度预测的精度，从而有助于推动热塑性复材高质量铣削加工的发展。于推动热塑性复材高质量铣削加工的发展。于推动热塑性复材高质量铣削加工的发展。

【技术实现步骤摘要】
纤维增强热塑性树脂基复合材料周铣温度预测方法


[0001]本专利技术属于切削加工领域，涉及一种纤维增强热塑性树脂基复合材料周铣温度预测方法。

技术介绍

[0002]纤维增强热塑性树脂基复合材料(简称“热塑性复材”)，其轻质高强、力学性能优越，在重大装备制造领域应用潜力巨大，大型构件在装配连接前为保证精度，往往需要对边缘进行周铣加工。而热塑性复材是典型的难加工材料，加工中易出现损伤。同时，由于热塑性复材塑性较强，在加工中易产生变形，导致变形产热增加，切削温度升高。且热塑性树脂对温度极为敏感，在超过玻璃化转化温度后会发生相变，一方面使树脂对纤维的约束作用减弱，导致纤维难切断，形成毛刺、飞边等损伤；另一方面也使树脂更易粘附在刀具表面，导致摩擦增大，切削温度进一步升高。要想对热塑性复材实现高质量周铣加工，首先需要了解其周铣温度变化规律。如何实现对热塑性复材周铣温度的精确预测，正面临关键性挑战。
[0003]准确计算热塑性复材周铣温度，是实现对其高质量周铣加工质量的必要基础之一。对于周铣温度的计算，准确求解切削产热量及热量在刀
‑
工
‑
屑中的分配比例是关键环节。而切削产热源一般包括塑性变形产热、前刀面与切屑摩擦产热及后刀面与已加工表面摩擦产热。热塑性复材为各向异性材料，各方向上的变形规律及热导率均不同，在计算周铣温度需要考虑各向异性的特征。对于传统热固性复材，安庆龙等在2018年发表的专利号为“CN201610111307.8”的专利技术专利《用于碳纤维增强单向层合板二维切削温度的建模方法》中提出，由于其塑性变形很小，且切屑多为碎块状，故其切削热源往往只考虑后刀面与已加工表面摩擦这个单一热源。而热塑性复材由于其塑性较强，且切屑多为连续长切屑，切削热源为三个热源所组成的复合热源。对于金属材料，Shucai Yang等2018年在International Journal on Interactive Design and Manufacturing期刊第12卷发表题为《Investigation on the temperature field under the action of the blunttooledge for precision cutting of titanium alloys》的论文中指出，金属在计算切削温度时，需要考虑这三个热源，但由于是各向同性材料，在计算热量分配比例时，不需要考虑各向异性导热的问题。故热固性复材与金属的周铣温度计算方法并不能完全适用于热塑性复材。因此，为实现热塑性复材周铣温度的精确预测，迫切需要专利技术一种虑及多热源产热及各向异性传热特性的周铣温度预测方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有方法无法对热塑性复材周铣温度进行准确预测的问题，首先分别求解了热塑性复材切削时塑性变形热源、前刀面与切屑的摩擦热源、后刀面与已加工表面的摩擦热源这三个热源的产热量，得到了切削总产热量；再基于复材的各向异性导热特性，求解了切削总产热量在刀具、工件及切屑中的分配比例；最后将产热及热量分配过程结合，从而构建出完整的热塑性复材周铣温度预测方法。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]一种纤维增强热塑性树脂基复合材料周铣温度预测方法，充分考虑了塑性变形热源、前刀面与切屑的摩擦热源、后刀面与已加工表面的摩擦热源这三大热源的产热量，求解了切削总产热量；在此基础上，充分考虑了复材各向异性导热特征，求解了切削总产热量在刀具、工件及切屑中的分配比例；并最终形成了热塑性复材周铣温度预测方法。
[0007]具体步骤如下：
[0008]第一步：虑及塑性变形及刀
‑
屑热源的切削总产热量计算
[0009]加工热塑性复材时切削热主要来自于切削功，分为三个部分：切屑与前刀面摩擦功、材料塑性变形功和后刀面与已加工表面摩擦功。由能量守恒定律可知，加工过程中总产热量Q
total
如式(1)所示：
[0010]Q
total
＝Q
plastic
+Q
rake
+Q
flank (1)
[0011]式中，Q
plastic
表示塑性变形产热，Q
rake
表示刀
‑
屑摩擦产热，Q
flank
表示刀
‑
工摩擦产热。
[0012]加工过程中做的总机械功可通过主切削力F
c
计算得到，总机械功W如式(2)所示：
[0013]W＝F
c
v (2)
[0014]式中，F
c
表示主切削力，v表示切削速度。
[0015]假设三个变形区所消耗摩擦功和变形功全部转化为热量，则有式(3)
[0016]Q
total
＝W (3)
[0017]第二步：虑及各向异性传热行为的切削区热分配比例计算
[0018]由傅立叶(Fourier)定律可知，在单位时间内热传导方式传递的热量与垂直于热流的截面积成正比，与温度梯度成正比，导热方向与温度梯度方向相反，如式(4)、(5)示：
[0019][0020][0021]式中，λ为导热率，q为热流密度，Q为热流量，dT/dx为温度梯度，A为热传导面积。
[0022]在切削热塑性复材时，切削区产生的热量分别传到切屑、刀具和工件当中，假设热量传递到切屑、工件和刀具的过程不考虑时间的影响，满足关系如式(6)所示：
[0023]Q
plastic
+Q
rake
+Q
flank
＝Q
chip
+Q
tool
+Q
CFRTP (6)
[0024]式中，Q
chip
、Q
tool
、Q
CFRTP
分别表示传入切屑、刀具和热塑性复材工件的热流量。切削区热分配比例通过传入切屑、刀具和工件的热流量和切削区的总热量的比值来确定，如式(7)所示：
[0025][0026]式中，R
chip
、R
tool
、R
CFRTP
分别表示传入切屑、刀具和工件的热分配比例。假设加工中向周围介质直接传出的热量忽略不计，即产生的热量全部通过切屑、刀具和工件传出，热分配比例满足关系如式(8)所示：
[0027]R
chip
+R
tool
+R
CFRTP
＝1 (8)
[0028]由上述热分配比例之间的关系可知，已知任意两个热分配比例，即可计算出第三个热分配比例的值。本小节拟通过理论计算和实验观测的方法计算出热塑性复材加工中传
入切屑和刀具的热量分配比例，进而间接求得传入工件部分的热分配比例。
[0029](1)传入切屑热分配比例计算
[0030]为热塑性复材加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纤维增强热塑性树脂基复合材料周铣温度预测方法，充分考虑塑性变形热源、前刀面与切屑的摩擦热源、后刀面与已加工表面的摩擦热源三大热源的产热量，求解切削总产热量；在此基础上，充分考虑复材各向异性导热特征，求解切削总产热量在刀具、工件及切屑中的分配比例；并最终形成热塑性复材周铣温度预测方法；其特征在于，具体步骤如下：第一步：虑及塑性变形及刀
‑
屑热源的切削总产热量计算加工热塑性复材时切削热主要来自于切削功，分为三个部分：切屑与前刀面摩擦功、材料塑性变形功、后刀面与已加工表面摩擦功；由能量守恒定律可知，加工过程中总产热量Q
total
如式(1)所示：Q
total
＝Q
plastic
+Q
rake
+Q
flank
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，Q
plastic
表示塑性变形产热，Q
rake
表示刀
‑
屑摩擦产热，Q
flank
表示刀
‑
工摩擦产热；加工过程中做的总机械功通过主切削力F
c
计算得到，总机械功W如式(2)所示：W＝F
c
v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，F
c
表示主切削力，v表示切削速度；假设三个变形区所消耗摩擦功和变形功全部转化为热量，则有式(3)Q
total
＝W
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)第二步：虑及各向异性传热行为的切削区热分配比例计算由傅立叶定律可知，在单位时间内热传导方式传递的热量与垂直于热流的截面积成正比，与温度梯度成正比，导热方向与温度梯度方向相反，如式(4)、(5)示：比，与温度梯度成正比，导热方向与温度梯度方向相反，如式(4)、(5)示：式中，λ为导热率，q为热流密度，Q为热流量，dT/dx为温度梯度，A为热传导面积；在切削热塑性复材时，切削区产生的热量分别传到切屑、刀具和工件当中，假设热量传递到切屑、工件和刀具的过程不考虑时间的影响，满足关系如式(6)所示：Q
plastic
+Q
rake
+Q
flank
＝Q
chip
+Q
tool
+Q
CFRTP (6)式中，Q
chip
、Q
tool
、Q
CFRTP
分别表示传入切屑、刀具和热塑性复材工件的热流量；切削区热分配比例通过传入切屑、刀具和工件的热流量和切削区的总热量的比值来确定，如式(7)所示：式中，R
chip
、R
tool
、R
CFRTP
分别表示传入切屑、刀具和工件的热分配比例；假设加工中向周围介质直接传出的热量忽略不计，即产生的热量全部通过切屑、刀具和工件传出，热分配比例满足关系如式(8)所示：R
chip
+R
tool
+R
CFRTP
＝1 (8)由上述热分配比例之间的关系可知，已知任意两个热分配比例，即可计算出第三个热分配比例的值；拟通过理论计算和实验观测的方法计算出热塑性复材加工中传入切屑和刀具的热量分配比例，进而间接求得传入工件部分的热分配比例；
(1)传入切屑热分配比例计算为热塑性复材加工时的传热关系；假设第Ⅰ变形区的热量传入切屑和工件、第Ⅱ变形区的热量传入切屑和刀具、第Ⅲ变形区的热量传入刀具和工件；其中，R1为塑性变形产热传入切屑分配比例，R2表示刀
‑
屑摩擦产热传入切屑分配比例，R3表示刀
‑
工摩擦产热传入工件分配比例；即传入切屑的热流量Q
chip
由两部分组成，如式(9)所示：Q
chip
＝Q
plastic
R1+Q
rake
R
2 (9)分别计算产热量Q
plastic
和Q
rake
以及传热比例R1和R2；首先，在切屑变形过程中，沿剪切面发生剪切滑移，塑性变形产热Q
plastic
如式(10)所示：Q
plastic
＝τ
y
γa
c
a
w
v
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【专利技术属性】
技术研发人员：王福吉，魏钢，姜向何，周洪岩，鞠鹏程，付饶，贾振元，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：