一種復(fù)合材料切削熱分配系數(shù)的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于復(fù)合材料切削加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種將碳纖維復(fù)合材料纖維方向考 慮在內(nèi)的切削熱分配系數(shù)的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料中的樹(shù)脂基體是一種對(duì)溫度極其敏感的熱固性高分子材料，在高溫的影 響下極易發(fā)生軟化、失去強(qiáng)度甚至碳化分解，這就容易使材料中的增強(qiáng)纖維失去支撐和保 護(hù)，在受到切削力的作用時(shí)加劇損傷的產(chǎn)生。而切削熱分配系數(shù)是決定切削熱傳入工件熱 量大小的關(guān)鍵，若能發(fā)明一種加工過(guò)程中的切削熱分配系數(shù)計(jì)算方法，對(duì)研宄工件溫度分 布、減小切削熱影響、提高加工效率具有重要的應(yīng)用價(jià)值。由于復(fù)合材料具有各向異性、層 疊特征，導(dǎo)致復(fù)合材料切削熱傳導(dǎo)過(guò)程與金屬存在差異，導(dǎo)致金屬加工過(guò)程中切削熱分配 系數(shù)計(jì)算方法不適用于復(fù)合材料。
[0003] 針對(duì)這一問(wèn)題，Olga Klinkova、Sylvain Drapier等人發(fā)表的《Characterization of friction properties at the workmaterial/cutting tool interface during the machining of randomly structured carbon fibers reinforced polymer with carbide tools under dry conditions))一文在〈〈Tribology International〉〉2011年第44期第 2050到2058頁(yè)中用材料的熱導(dǎo)率、密度、比熱容來(lái)計(jì)算碳纖維復(fù)合材料磨擦試驗(yàn)過(guò)程中切 削熱流入磨頭的比例系數(shù)；Chung-Shin，Je_Ee Ho，Chang_Hu Chan and Baw-Chiang Hwang 發(fā)表的〈〈Prediction of Cutting Temperature in Turning Carbon Fiber Reinforced Plastics Composites with Worn Tools》一文在《Journal of Applied Sciences》2011 年第22期第3698到3671頁(yè)中利用傳熱反問(wèn)題的計(jì)算方法對(duì)碳纖維復(fù)合材料車(chē)削過(guò)程中 切削熱傳入切肩的比例進(jìn)行研宄。但是，上述研宄中不僅計(jì)算量大、計(jì)算復(fù)雜，而且沒(méi)有考 慮纖維方向?qū)岱峙湎禂?shù)的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有方法無(wú)法考慮纖維方向?qū)η邢鳠岱峙湎禂?shù)影響的缺陷，發(fā)明一種 復(fù)合材料切削熱分配系數(shù)的計(jì)算方法。該方法根據(jù)復(fù)合材料不同纖維方向、不同工藝參數(shù) 及刀具幾何參數(shù)下所產(chǎn)生的已加工表面回彈量，并結(jié)合傅里葉傳導(dǎo)定律及其傳熱反問(wèn)題的 求解方法，得到傳入刀具的熱量。由于復(fù)合材料加工過(guò)程塑性變形很小，主要的熱源來(lái)自刀 具與復(fù)合材料之間的摩擦，通過(guò)對(duì)加工過(guò)程消耗總能量的計(jì)算，最終獲得加工過(guò)程刀具和 工件之間的熱分配系數(shù)。使用本發(fā)明推導(dǎo)的公式將纖維方向和刀具角度全部考慮在內(nèi)，計(jì) 算方法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種復(fù)合材料切削熱分配系數(shù)的計(jì)算方法，該方法根據(jù) 復(fù)合材料不同纖維方向、不同工藝參數(shù)及刀具幾何參數(shù)下所產(chǎn)生的已加工表面回彈量，并 結(jié)合傅里葉傳導(dǎo)定律及其傳熱反問(wèn)題的求解方法，得到傳入刀具的熱量，再通過(guò)對(duì)加工過(guò) 程消耗總能量的計(jì)算，最終獲得加工過(guò)程刀具和工件之間的熱分配系數(shù)；計(jì)算方法采用如 下步驟：
[0006] 步驟1 :利用傅里葉熱傳導(dǎo)定律推導(dǎo)出切削熱分配給刀具部分的比例系數(shù)表達(dá)式 為，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)合材料切削熱分配系數(shù)的計(jì)算方法，其特征是，該方法根據(jù)復(fù)合材料不同纖 維方向、不同工藝參數(shù)及刀具幾何參數(shù)下所產(chǎn)生的已加工表面回彈量，結(jié)合傅里葉傳導(dǎo)定 律及其傳熱反問(wèn)題的求解方法，得到傳入刀具的熱量，再通過(guò)對(duì)加工過(guò)程消耗總能量的計(jì) 算，最終獲得加工過(guò)程刀具和工件之間的熱分配系數(shù)；計(jì)算方法采用如下步驟： 步驟1:利用傅里葉熱傳導(dǎo)定律推導(dǎo)出切削熱分配給刀具部分的比例系數(shù)表達(dá)式為，
式中，A:為切削熱分配給刀具部分比例系數(shù)，W為切削過(guò)程產(chǎn)生的總熱量，A為刀具與 工件接觸面積，k為刀具的熱導(dǎo)率，AT為刀具測(cè)溫點(diǎn)與刀刃之間的溫度差，L為刀具上測(cè)溫 點(diǎn)與刀刃之間的距離； 切削熱分配給工件部分的比例系數(shù)表達(dá)式為，
式中，A2為切削熱分配給工仵部分的比例系數(shù)； 步驟2 :根據(jù)測(cè)力儀測(cè)量所得的平均水平切削力與設(shè)定的切削速度的乘積計(jì)算加工過(guò) 程中單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的總熱量，表達(dá)式為， ff=Ft ?V(3) 式中，F(xiàn)t表示平均水平切削力，V表示切削速度； 步驟3 :根據(jù)不同纖維方向復(fù)合材料的已加工表面回彈量不同計(jì)算刀具與工件的接觸 面積考慮復(fù)合材料纖維方向、刀尖圓弧與工件接觸的長(zhǎng)度、回彈的已加工表面與刀具后刀 面的接觸長(zhǎng)度、刀具前角和刀具后角得到刀具與工件接觸面積的表達(dá)式：
式中，0為纖維方向，定義為從切削方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到纖維所處位置而經(jīng)過(guò)的角度， E?( 0 )為刀具和復(fù)合材料的等效法向彈性模量，F(xiàn)y平均法向接觸力，Re為刀尖圓弧半徑，1t 為工件厚度，a為刀具后角，y為刀具前角： 步驟4 :根據(jù)傳熱反問(wèn)題求解方法得到刀刃處與測(cè)溫點(diǎn)處溫度差的關(guān)系表達(dá)式為： AT= 1. 3Ttest-Ttest= 0. 3Ttest (5) 式中，Ttest為測(cè)溫點(diǎn)處的溫度值： 步驟5 :將式（3)、式（4)、式（5)帶入公式（1)中，得到切削熱分配給刀具的比例系數(shù) 關(guān)系式為：
切削熱分配給工件的比例系數(shù)關(guān)系
式為： 完成復(fù)合材料切削熱分配系數(shù)的計(jì)算。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明一種復(fù)合材料切削熱分配系數(shù)的計(jì)算方法屬于復(fù)合材料切削加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種將碳纖維復(fù)合材料纖維方向考慮在內(nèi)的切削熱分配系數(shù)的計(jì)算方法。該方法根據(jù)復(fù)合材料不同纖維方向、不同工藝參數(shù)及刀具幾何參數(shù)下所產(chǎn)生的已加工表面回彈量，并結(jié)合傅里葉傳導(dǎo)定律及其傳熱反問(wèn)題的求解方法，得到傳入刀具的熱量，再通過(guò)對(duì)加工過(guò)程消耗總能量的計(jì)算，最終獲得加工過(guò)程刀具和工件之間的熱分配系數(shù)。本發(fā)明推導(dǎo)的公式中，將纖維方向和刀具角度全部考慮在內(nèi)，得到刀具前角、刀具后角、切深、纖維方向?qū)η邢鳠岱峙湎禂?shù)的影響關(guān)系；在加工不同纖維方向的復(fù)合材料過(guò)程中，準(zhǔn)確計(jì)算出刀具與工件的切削熱分配系數(shù)，使計(jì)算出的溫度場(chǎng)分布更接近實(shí)際。
【IPC分類(lèi)】G06F19-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104615876
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510042392
【發(fā)明人】賈振元, 殷俊偉, 王福吉, 陳晨, 朱浩杰, 宿友亮
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月28日