吸波蜂窝材料超声加工稳定性建模研究

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吸波蜂窝材料是通过对芳纶蜂窝浸渍具有吸波特性的树脂而形成的黑色高面内刚度的复合材料,具备芳纶蜂窝材料所有的性能和优点,被大量应用于军事航空领域。本文以吸波蜂窝材料及其胞元壁板为研究对象,从材料切削方式和切削刀具的选择及基于实验的力学性能获取入手,开展了吸波蜂窝材料超声切削稳定性建模研究。论文的研究工作和研究成果如下:(1)分析吸波蜂窝材料及其加工方式,提出吸波蜂窝材料的超声切削工艺。针对吸波蜂窝材料的高硬脆特性,对比分析了蜂窝材料常用的加工方式及不同特点,提出超声切削可望成为吸波蜂窝材料的主流切削方式;参照芳纶蜂窝材料超声切削使用的刀具和工艺特点,提出采用“直刃刀+圆盘刀”的组合以形成“矩形”切屑为工艺特点的吸波蜂窝材料超声切削工艺。(2)实验获取吸波蜂窝材料力学性能参数,理论结合仿真得到胞元壁板的动力学参数。进行了吸波蜂窝材料的性能获取实验,结合实验曲线和理论公式,得到了吸波蜂窝材料及其胞元壁板的强度、弹性模量、密度等力学性能参数。利用获得的力学性能参数进行胞元壁板的振动仿真,并结合理论公式得到胞元壁板振动过程中的动力学参数。(3)分析了超声切削时圆盘刀和直刃刀的运动特征,分别建立两种刀具切削的运动学方程。考虑到对圆盘刀而言,起切削作用的是X、Z向的旋转运动,对直刃刀在形成矩形切屑的加工工艺中,刀具只有Y向和Z向的运动,故分别建立了两种刀具在超声切削时在不同方向的运动学方程,为后面稳定性模型的建立提供理论指导。(4)圆盘刀超声切削胞元壁板稳定性研究。进行了圆盘刀超声切削吸波蜂窝材料试验,标定了超声切削力系数,仿真获取了圆盘刀的固有频率、振型及超声激励下的时域响应,来绘制体现圆盘刀超声切削吸波蜂窝材料的稳定性过程的稳定性Lobe图。选择Lobe图上稳定区域和非稳定区域的切削参数组合分别进行切削实验,比较吸波蜂窝材料的表面质量和刀具磨损情况,验证了稳定性模型的可行性。(5)研究胞元壁板直刃刀超声切削的断裂机理,提出超声振动对壁板的钢化效应是引发断裂的主要原因。分析了直刃刀切削时单个周期内胞元壁板的受力过程,应用弹性薄板小挠度理论建立了蜂窝胞壁挠度方程和应力方程;结合解析模型和有限元仿真分析了蜂窝胞壁的变形特征和断裂特性。(6)直刃刀超声切削胞元壁板稳定性研究。将直刃刀超声切削系统简化为二自由度系统;在考虑切削力对胞元壁板稳定性影响的情况下,建立刀具进给方向的稳定性模型,得到了稳定性判别条件;综合仿真、理论、实验得到的数据绘制了切深-声学/切削参数的关系图,为直刃刀的超声稳定切削提供了较优的切削、声学参数。
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