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《大连理工大学》 2011年
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碳纤维复合材料工件切削表面粗糙度测量与评定方法研究

周鹏  
【摘要】:碳纤维复合材料在航空和航天等国防高科技领域有着广泛的应用,它的优点是具有高的比强度、高的比模量以及可以耐高温和耐磨损,目前的问题是它的物质特征是各向异性,与普通金属材料的加工机理是不一样的,其切削表面会产生许多特殊的形貌。到目前为止,设计制造碳纤维复合材料工件时,采用的是与金属材料工件表面质量相同的检测原理与评定方法,这不能真实地反映复合材料切削表面的形貌特征。对碳纤维复合材料工件切削表面微观形貌的测试与评定方法研究已成为国际上亟待解决课题。本文研究的碳纤维复合材料包括碳/碳(C/C)、碳/酚醛(C/Ph)复合材料,研究能真实反映C/C、C/Ph复合材料工件切削表面微观形貌的三维测量与评定技术。主要开展5个方面的研究工作: (1)碳纤维复合材料切削表面三维测量方法和切削实验的研究:对比研究了接触式与非接触式测量实验的结果,发现非接触式激光测量是对碳纤维复合材料比较好的测量方法,确定了三维微观形貌测量的数学模型和测量步骤。在分析复合材料的结构性能和切削机理的基础上,设计其机械加工实验,通过对不同的加工条件加工出来的碳纤维复合材料切削表面的三维评定结果分析,选择合适的切削速度、切削深度、切削进给量、刀具材料和刀尖圆弧半径,总结了碳纤维复合材料和金属材料切削的异同。 (2)碳纤维复合材料切削工件表面三维测量采样条件的研究:采样条件是评定表面微观几何形状误差准确性的重要影响因素。测量中存在的问题是大多数采样条件的选择都是测量者得主观行为,不能客观判定合适采样条件的现状。提出了一种适用于C/C、C/Ph复合材料表面形貌测量的确定采样条件的方法,采用归一近似因子法来确定采样条件。结果表明:对于C/C、C/Ph复合材料工件切削表面的测量,其合适采样条件并不样。对于评定碳纤维复合材料的切削表面,Sa、Sq、Ssk和Sku等粗糙度参数取其平均值,而St、Sp和Sv取其最大值较合适。 (3)碳纤维复合材料切削工件表面的三维评定方法研究:使用二维评定、三维评定方法分别对C/C、C/Ph复合材料和金属材料切削表面形貌进行评定。结果表明复合材料切削表面容易出现纤维的撕裂、破碎和拔出,呈现出表面凹凸等独有的表面形貌。传统的针对于金属表面的二维评定方法,其评定碳纤维复合材料切削表面的结果有较大的相对误差,能对复合材料切削表面形貌进行准确评价的方法是三维评定方法。优先选用表面均方根偏差Sq来评定碳纤维复合材料切削表面的幅度形貌特征,采用高度分布的倾斜度Ssk和高度分布的陡峭度Sku。反映表面波峰和波谷的特征;最快衰减自相关长度Sal和表面纹理纵横比Str反映表面纹理形状;表面峰高密度Sds反映表面间距特征;自相关图可以分析材料表面形貌的周期特征;支撑率-幅度曲线图可以反映材料的支撑性能。 (4)碳纤维复合材料切削工件表面的分形特征研究:用分形维数值为参数来评定的材料切削加工表面粗糙度。针对分形维数值无法分析材料加工表面的局部形貌特征变化的不足,引入多重分形理论对材料加工表面局部形貌特征进行研究。对于C/C复合材料加工工件,计算出多重分形谱的宽度和谱差可以表征其表面,其中,宽度可以表征加工表面的粗糙度,谱差反映加工表面的垂直高度差。通过对多重分形谱分析的结果和三维评定参数评定结果的比较,验证了多重分形谱是一种能快速、客观反映碳纤维复合材料加工表面形貌固有特征的评定方法。 (5)不同加工条件下C/Ph复合材料切削工件表面三维评定结果:分别在车削和铣削下,使用不同的加工参数、刀具材料和刀尖圆弧半径加工出C/Ph复合材料工件,使用三维评定方法分别评定其表面质量,通过以上研究,验证了三维评定方法对不同的C/Ph复合材料切削表面形貌的评定效果。
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