【正文】 蘇州科技學(xué)院 畢業(yè)論文 外文翻譯 外文 題目 單向增強(qiáng)纖維振動(dòng)輔助 切削中 的 力學(xué)和材料去除機(jī)制 院 (系 ) 機(jī)械工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 張明光 學(xué) 號(hào) 1120xx36203 指導(dǎo)教師 殷振 20xx 年 3 月 14 日 1 單向增強(qiáng)纖維振動(dòng)輔助 切削中 的力學(xué)和材料去除機(jī)制 關(guān)鍵詞： 纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料；振動(dòng)輔助切削；切削力學(xué)；材料去除機(jī)理；纖維 基體剝離。 摘 要 本文旨在揭示背后的單向網(wǎng)絡(luò) BRE 振動(dòng)輔助切削（ VAC）的材料去除機(jī)制和力學(xué)增強(qiáng)復(fù)合材料（ FRP）復(fù)合材料。通過(guò)整合 VAC 的核心因素，包括網(wǎng)絡(luò) BRE方向和變形，纖維 基體界面，工具，網(wǎng)絡(luò) BRE 接觸 和工具 工件接觸的綜合分析，研制成功預(yù)測(cè)的切削力可靠的力學(xué)模型流程。進(jìn)行有關(guān)的實(shí)驗(yàn)表明，該模型已捕獲在切割玻璃鋼復(fù)合材料的力學(xué)和主要變形機(jī)制，并且在任一所述的切割或法線(xiàn)方向超聲波振動(dòng)的應(yīng)用程序可以顯著降低切削力，最小化網(wǎng)絡(luò)連接 BRE形變，促進(jìn)有利科幻 BRE 骨折在切割界面，并在很大程度上提高加工表面的質(zhì)量。當(dāng)振動(dòng)被施加到兩個(gè)所述切割和法線(xiàn)方向，刀尖的橢圓振動(dòng)軌跡可以帶來(lái)一個(gè)最佳的切割過(guò)程。存在切口的臨界深度，超過(guò)該音響 BRE 矩陣剝離深度由施加在刀尖的振動(dòng)不再影響。這大大阻礙了 EVA 切削技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用。 本文旨在為解決上述問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的力學(xué)分析，了解單向 ERP 材料 EVA切削所用到的原理并建立必要的基礎(chǔ)。 2 纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料（ FRP）因其強(qiáng)度、剛度高，質(zhì)量輕的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)結(jié)構(gòu)中。然而，由于纖維和基體機(jī)械性能的顯著差異， FRP 材料產(chǎn)品很難被加工。因而，加工后的 FRP 產(chǎn)品經(jīng)常有著各種缺陷，如纖維露出、纖維斷裂、基體開(kāi)裂、纖維與基體脫粘和分層等。目前為止，大多數(shù)對(duì) FRP 材料加工的實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)有以下幾個(gè)方面：纖維或基質(zhì)類(lèi)型的影響、纖維體積分?jǐn)?shù)及方向的影響、刀具材料及形狀的影響、切削深度的影響 和所選用加工參數(shù)的影響。然而，這些研究局限于傳統(tǒng)的加工方法，如車(chē)、銑、鉆，仍面臨著上文突出的表面缺陷。為了獲得高質(zhì)量表面的 FRP 產(chǎn)品，普遍認(rèn)為磨削較為合適，因?yàn)樵谀ハ鲿r(shí)，單刃磨的切削深度比纖維直徑要小得多。然而，很多情況下磨削效率很低。 另一方面，振動(dòng)輔助切削，使切削工具的尖端運(yùn)動(dòng)增加了在超聲波頻率位移的微幅，已被實(shí)驗(yàn)證明可以切削許多單相材料如金屬和陶瓷的一種有效方法。為了有效加工 FRP 材料，作者研究出一種振動(dòng)輔助切削技術(shù)。這種技術(shù)以基于振動(dòng)方向上的超聲振動(dòng)加在于刀尖上，刀尖軌跡可以被控制，例如，橢圓路徑稱(chēng) 為橢圓振動(dòng)輔助（ EVA）切削。他們的調(diào)查顯示， EVA 切削可顯著降低切削力與表面缺陷，即使是用普通的切削刀具。在加工特性中，振動(dòng)在切削方向與法向的影響也已使用已有的新型激光器所研究了。研究發(fā)現(xiàn)，切削方向的振動(dòng)更有利于降低切削力，而法向更有利于排屑。當(dāng) EVA 切削中振動(dòng)運(yùn)用于兩方向時(shí)，切削力大大降低， FRP 材料的表面質(zhì)量可以打打提高，刀具壽命也可顯著延長(zhǎng)。但是， EVA 切削材料去除過(guò)程中力學(xué)與機(jī)理仍不清楚。這大大阻礙了 EVA 切割技術(shù)的優(yōu)化與實(shí)際應(yīng)用。 本文旨在通過(guò)詳細(xì)的力學(xué)分析消除上述的問(wèn)題，了解單向 FRP 材料 EVA 切削所蘊(yùn)含的科學(xué)原理，從而建立必要的基礎(chǔ)。最重要的因素，如切削力、纖維變形、纖維斷裂、纖維基體斷裂，將全面集成建模，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)建立的模型。 3 力學(xué)原理 圖 1說(shuō)明了 EVA 切削的過(guò)程的力學(xué)原理，即刀具以進(jìn)給速度， v，進(jìn)給，同時(shí)在 XZ 平面上以超聲頻率微幅振動(dòng)。 X方向進(jìn)給率小于最大振動(dòng)速度，這樣連續(xù)切削是在刀具每個(gè)振動(dòng)周期中產(chǎn)生的。在每個(gè)周期中，發(fā)生在刀尖擠入工件的時(shí)刻 tb，切削開(kāi)始，切削方向平行于纖維方向時(shí)刻 te，切削結(jié)束。因此，如果 刀具 纖維 纖 維 EHM （基體與 纖維） 刀尖中心軌跡 圖 4 纖 維 /基體斷裂發(fā)生在這個(gè)過(guò)程中，切屑將由刀具形成和拉出。在之前的工作中發(fā)現(xiàn)，為了促進(jìn)纖維與基體的分離，一個(gè)刀具振動(dòng)周期內(nèi)的切割距離，Δ，設(shè)置為小于纖維直徑， D，從而提高表面質(zhì)量。假設(shè) a和 b分別是在 x和 z方向的振動(dòng)幅值， f 是振動(dòng)頻率，ψ是相位差， re 為切削刃半徑 ,ap 是切削深度，δ是刀具切削結(jié)束時(shí)工件反彈值。在 x方向上刀具的相對(duì)橢圓運(yùn)動(dòng) x（ t） ,z 方向z（ t） ,可以通過(guò)表 1所示的方程來(lái)表示?；诘毒哒駝?dòng)相對(duì)于進(jìn)給方向的運(yùn)動(dòng)，可以定義三種類(lèi)型振動(dòng)輔助切削：（ 1）切削方向振動(dòng)輔助（ CDVA）切削：刀具只在切削方向振 動(dòng)（即 a≠ 0,b=0）；（ 2）法向振動(dòng)輔助（ NDVA）切削：刀具只在法向振動(dòng)（即 a=0,b≠ 0）；還有 EVA 切削（即 a=0,b=0），即如上述。對(duì)于這些類(lèi)型的切削與傳統(tǒng)切削振動(dòng)輔助刀具的軌跡如表 1 所示。 為了建立對(duì)切削過(guò)程的力學(xué)模型，考慮一個(gè)單一的纖維是具有以下特征的代表性單元：（ 1）工件的寬度與刀具相同并等于纖維的直徑；（ 2）纖維斷裂前經(jīng)過(guò)彈性變形；（ 3）纖維斷裂時(shí)發(fā)生的最大拉伸應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度；（ 4）刀具與纖維，刀具與工件接觸遵循赫茲接觸理論為方便起見(jiàn)， 力和變形的正方向表 切削種類(lèi) 傳統(tǒng)切削 CDVA 切削 NDVA 切削 EVA 切削 刀具軌跡 刀具位移 5 是沿如圖 1 中定義正 x 和 z方向的。 纖維變形 設(shè)在復(fù)合材料中纖維中直纖維由其余的有彈性復(fù)合纖維材料支撐，如圖 1所示，纖維在對(duì)稱(chēng)截面的主平面受到水平力作用。纖維因此偏轉(zhuǎn)，但在纖維體復(fù)合材料適用于一個(gè)分布式的反應(yīng)抗纖維偏轉(zhuǎn)。反應(yīng)力可以用 Winkler 模型描述，如圖 2 所示 .模型簡(jiǎn)單但不失一般性，支持的纖維可以被視為一個(gè)等效均質(zhì)材料的復(fù)合部分（ EHM）其彈性性能（例如，模量）可以通過(guò)一個(gè)復(fù)合的混合規(guī)則的制定。設(shè) pm是在與偏轉(zhuǎn) x纖維橫截面的反作用力的強(qiáng)度； pm= xkm，其中km 為基礎(chǔ)的導(dǎo)電加熱切 削的模量，可采用 Biot 公式 : ])1([)1( mffmmmm vIE EDvEk ??? （ 1） 其中 Em和 vm 是橫向的楊氏模量和 HME 的泊松比； Ef和 If=（ π D4 / 64）是橫向的楊氏模量和纖維橫截面的慣性矩。 刀具 纖維 微小元素 圖 6 在切割過(guò)程中，纖維基體界面部分遭受脫粘深度 H，如圖 2 所示。然后，該纖維 – 基體界面的其余部分將有一個(gè)結(jié)合力約束由切削力引起的變形的纖維。假設(shè) pb是在非脫粘區(qū)域的粘合力的強(qiáng)度， pb=xkb，其中 kb 是纖維基質(zhì)粘結(jié)的等效模量。在脫粘的起始點(diǎn)， E， Pb應(yīng)等于纖維 – 基體的接合強(qiáng)度σ b。設(shè)纖維長(zhǎng)度 dz 為無(wú)窮小（見(jiàn)圖 2）。元素平衡產(chǎn)生： 0=dzp+dzp+d Q )+Q(Q 0=ΣQ bm 0=) d xk+(kd Q ) d z+(QdM 0=ΣM 2bm （ 2） 其中 Q 為 接 切 力 ， M 為 彎 矩 。 等 效 代 如 著 名 的 梁 彎 曲 理 論ff IEMdzxd // 22 ?? ，代入得： 0)(44 ??? xkkdz xdIE bmff （ 3） Eq 由公式（ 3）解得： )s i nc o s(s i nc o s)( 4321 zCzCezCzCex zz ???? ?? ???? ? （ 4a） 或 )s i nc o s(s i n h)s i nc o s(c o s h 4321 zBzBzzBzBzx ?????? ???? （ 4b） 其中 4 4/)( ffbm IEkk ??? C1,C2,C3,C4,B1,B2,B3,B4 是 積 分 常 數(shù) ， 2/)()c o s h ( zz eez ??? ??? ， 7 2/)()s in h ( zz eez ??? ??? 。 從上述分析可知，纖維在復(fù)合材料中，與刀具所接觸時(shí)，沿軸線(xiàn)有不同的支撐條件。因此，纖維的變形可以分為三個(gè)部 分，如圖 2 所示：（ 1）纖維與刀具接觸點(diǎn)， A，以上部分的纖維，即： ep raz ?? ；（ 2） A， E兩點(diǎn)之間部分的纖維，即： ?????? hazra pep ；（ 3） E點(diǎn)以下的部分纖維，即： .???? haz p 。相應(yīng)地，這些部分的纖維的變形可以有以下所得： )()]()([)]()([)( 34423422111 zFBzFzFBzFzFBzFBx mmmmmm ?????? ?????? ep raz ?? )()]()([)]()([)( 38427426152 zFBzFzFBzFzFBzFBx mmmmmm ?????? ?????? ?????? hazra pep )]()()([)]()()([ )]()()([)]()()([ 43244213 432242113 zFzFzFCzFzFzFC zFzFzFCzFzFzFCx mbmbmbmbmbmb mbmbmbmbmbmb ?????? ?????? ?????? ?????? .???? haz p （ 5） 其中， 5B ， 6B ， 7B ， 8B 是積分常數(shù)，且 4 4/ ffmm KEk?? ， 4 4/)( ffbmmb KEKK ??? zzzF ??? c o sc o s h)(1 ? ， 2/)c o ss in hs in( c o s h)(2 zzzzzF ????? ?? ， 8 zzzF ??? s ins in h)(3 ? ， 2/)c oss ins in( c os h)(4 zzzzzF ????? ?? 因此，圖 2中標(biāo)注的切削力 xF? 為以上所述（ 1）、（ 2）、（ 3）部分纖維反作用力之和，即： ??? ?? ??????? ??? ?? ha mha ra mra mx pp epep dzxkdzxkdzxkF 320 1 （ 6） 在 xF? 計(jì)算公式（ 6）和（ 13）中的參數(shù)， 1B ， 2B ， 3B ， 4B ， 5B ， 6B ， 7B ，8B ， 1C ， 2C ， 3C ， 4C ，和 h，需要由纖維的邊界條件和轉(zhuǎn)換條件在纖維截面零件不同支承約束條件確定，當(dāng)表達(dá)式中的每一項(xiàng)在式（ 6）可以得到，即可得出下面的： 對(duì)變形斜率的一般表達(dá)式， ik （ i＝ 1， 2， 3），彎矩， Mi（ i＝ 1， 2， 3），和剪切力， Qi（ i＝ 1， 2， 3） ，可以直接導(dǎo)出。 ?? )]()([)(2 )(2)]()([11 31241 24313 zFzFBzFB zFBzFzFBm mmm mmmdzdxk ??? ???? ??? ????? （ 7a） ?? )]()([)(2 )(2)]()([1 31645 28317 zFzFBzFB zFBzFzFBm mmm mmmk ??? ???? ??? ???? （ 7b） ? ?)]()(2)([)](2)()([ )]()(2)([)](2)()([3 32124311 432144313 zFzFzFCzFzFzFC zFzFzFCzFzFzFCmb mbmbmbmbmbmb mbmbmbmbmbmbK ?????? ??????? ?????