高性能树脂基复合材料高速切削过程摩擦学行为研究

Due to the complicated structure of resin matrix composites and the particularity of high-speed cutting, the significance of tribological behavior stands out in the high speed cutting (HSC) process while HSC technology is more abroad in advanced composite manufacturing. In combination with numerical simulation and cutting experimentation, the research will focus on the friction, wear behavior and mechanisms in HSC and its quantitative study methods. The high speed cutting system of high property resin matrix composites (HPRMC) is chosen for the main object of study. Firstly, not only the experimentation and its data processing methods of material mechanics performances will be taken into account, but also interface model and theory, chip separation criteria, the matching property of the actual process and the simulation will be built, which will support the numerical simulation in the HSC process. Then, the tool-chip-work piece contact and friction behavior, thermal- mechanical coupling, their numerical simulation technologies, and quantitative study methods will be analyzed in order to analyze formation mechanisms of chip, tool wear and dilapidation behavior and the machined layer quality, cutting force, distribution of cutting temperature, etc. Finally, the matching of tool, cutting parameters and work piece material is discussed, and the influence principles and analyzing the influence factors will also be summarized from qualification to quantification in order to obtain the high speed cutting mechanisms of HPRMC, which provides the technical theory for HSC, and accelerates the development of manufacturing industry.

项目结合数值模拟与切削试验，考虑树脂基复合材料结构以及高速切削工况的特殊性，深入研究高性能复合材料高速切削过程的多界面摩擦学行为，实现高速切削系统的主动设计和控制，对推动高速切削技术发展及其在先进复合材料制造中广泛应用具有重要意义。以典型高性能复合材料切削系统为主要研究对象，基于复合材料多相体系，考虑刀-屑-工多界面接触与摩擦行为、热-力耦合行为，研究适应高速切削数值模拟要求的高应变率、高温下材料性能试验方法和数据处理方法，分析切削不均匀变形场、工件材料本构模型、界面模型及理论、切屑分离准则以及实际工艺和仿真的匹配性，提高数值分析精度；掌握切削参数、刀具材料及其几何参数对切屑形成、加工表面损伤、切削力、切削温度分布等的影响规律。分析切削系统摩擦学行为的复杂影响因素和影响规律，研究高性能复合材料高速切削机理，建立刀具、切削参数与加工材料的匹配性，为高速切削的工艺设计提供理论依据。

高速切削技术在复合材料制造中应用日益广泛，由于复合材料结构和高速切削的特殊性，高速切削中面临刀具磨损严重、工件质量差等问题，切削过程的摩擦学行为研究重要性凸显，其摩擦磨损的定量化研究，对于实现高速切削系统的主动设计与控制，实际加工中切削用量和切削刀具的合理选择，新型刀具的设计制造及刀具磨损控制、寿命预测等具有重要的指导作用。通过材料设计及试验方法对复合材料成分进行优化，研发和选取新型树脂基复合材料，分析组织、结构及物理、化学等性能，研究摩擦学性能和特定摩擦学系统各影响因素的相关性，为新型高性能复合材料的摩擦学设计和应用提供理论指导。基于宏观建模及微观建模的FRP切削仿真，采用模拟正交试验深入研究工艺参数对缺陷与切屑形成、加工表面质量的影响，探讨分析刀具和工件的温度场、应力场分布，研究不同温度场分布下刀具的摩擦磨损规律，为实际加工提供理论参考。研究了切削加工表面的评定与分析方法，通过算法改进可有效提取加工表面关键信息，有利于后续参数评定。基于典型的高性能树脂基复合材料和切削刀具，研究切削参数、刀具材料及几何参数、工件参数等对切屑形成、加工表面损伤、切削力、切削温度等的影响规律以及摩擦行为、热-力耦合行为，研究切削中刀-工-屑之间的摩擦学特性，揭示切削摩擦磨损机理，丰富复合材料高速切削理论，为刀具的设计、选择及工艺参数优化提供理论支持。研究表明切削参数、刀具几何参数等对加工过程切削力、温度、振动皆有显著影响，刀-工-屑之间摩擦剪切作用使切削温度、力不断提高，摩擦学系统在接触摩擦、热力耦合等多因素协同影响作用下，由低热低载荷系统过渡为高热高载荷系统，刀-工-屑之间的摩擦磨损、黏着磨损及氧化磨损等加剧，刀具在热循环应力作用下产生剥落及崩刃，使刀具磨损率升高，进一步恶化加工条件，工件表面完整性及表面质量降低。同时进一步研究金属基复合材料等其它高性能复合材料的高速加工摩擦学行为，丰富复合材料高速切削理论，推动高速切削技术发展。