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《大连理工大学》 2010年 硕士论文
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C/E复合材料磨削温度理论建模与分析

马海龙  
【摘要】: 碳纤维/树脂(C/E)复合材料作为一种先进的复合材料,以其高比强度、高比模量以及优良的减振阻尼等特性,在航空航天、车辆制造等领域得到了广泛的应用。然而,C/E复合材料具有明显的各向异性、非均匀性、层间强度低且导热性能差,是典型的难加工材料。在机械加工过程中热量易累积,刀具磨损严重,工件易产生分层、撕裂、热损伤等缺陷。 通常情况下,磨削加工能够获得较高的加工精度、加工质量,且与传统硬质合金刀具相比具有较高的刀具耐用度。因此,在C/E复合材料构件制造过程中,磨削加工被广泛应用于平面磨削、钻孔以及开窗口等加工工序中。磨削加工过程中,磨削区域内会产生很高的磨削温度且温度梯度较大,严重影响了构件的加工质量和力学性能。并且,磨削温度对刀具耐用度也有着十分重要的影响。 本论文结合国家自然科学基金(50875034)、863计划(2009AA044304)、辽宁省高校研究技术资助项目,对C/E复合材料磨削加工过程中最为常用的两种加工方式(平面磨削、磨削钻孔)所产生的温度场进行了理论建模与分析。针对普遍使用的C/E复合材料具有分层结构,热物理性能各向异性、非均匀性的特点。在对其组分材料(碳纤维、树脂)热物理特性参数进行均匀化处理的基础上,采用有限差分方法建立其平面磨削和磨削钻孔过程中的温度场模型。在一定范围内,采用热电偶和红外热像仪对C/E复合材料磨削过程中的磨削温度信号进行了检测,以此对上述所建立的温度场模型进行验证。结果表明,该温度场模型具有较好的准确性。在此基础上,对不同载荷条件下的磨削温度场进行了模拟计算,以此研究不同加工参数以及不同边界条件下各向异性、材料结构、组元成分对C/E复合材料磨削温度场的影响。模拟结果表明,在不同加载条件下其影响存在很大的差异性。 应用VC++软件开发了关于C/E复合材料磨削温度场的模拟计算软件,利用此软件可以方便有效地对不同工艺参数条件下磨削温度场进行模拟计算。磨削温度场模型的建立,为优化C/E复合材料磨削加工的工艺参数提供了理论依据,以此进一步提高其磨削加工质量和刀具耐用度,降低加工成本。


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