芳纶蜂窝材料超声复合加工机理及工艺优化研究

Aramid fiber honeycomb materials, with such excellent properties as high specific strength, high specific stiffness, thermostability, corrosion resistance and so on, is widely used in aviation, aerospace, military, transportation and other fields. The mechanical properties of the orthogonal anisotropy make the high speed milling difficult to ensure the quality of parts and improve the processing efficiency. Taking cutting aramid fiber honeycomb materials compounded with ultrosonic as the research object, some scientific problems are studied, such as the impact fracture mechanism of the multi cell orthogonal anisotropic material, chip deformation rule and deformation process model in the mode of cutting with ultrasonic vibration, the friction between the tool with ultrasonic vibration and chip, and the modeling method for dynamics between the tool with ultrasonic vibration and the material. With materials science, mechanics, tribology and mechanics theory, by means of the methods of theoretical modeling, numerical simulation and experimental research, impact fracture constitutive model of aramid fiber honeycomb material is established, the machining mechanism compounded with ultrasonic is revealed for the aramid fiber honeycomb material , the optimized mode of the cutter motion compounded with the ultrasonic vibration type is proposed , ultrasonic machining process and parameters are optimized. This project has important theoretical significance to enrich the theory of ultrasonic machining theory and accelerate the development of machining technology compounded with ultrasonic. It promotes to advance the processing level of aramid fiber honeycomb material. And it has the certain significance to enrich the processing method to other cellular materials.

芳纶蜂窝材料具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀等优良性能，在航空、航天、军工、交通等领域得到越来越广泛的应用。其正交各向异性的力学特性，使传统的高速铣削加工难以保证制件加工质量和加工效率。本项目以芳纶蜂窝材料超声切割为研究对象，围绕多胞正交各向异性材料的冲击断裂机理、超声复合加工模式下切屑变形规律和变形过程模型、超声振动刀具与切屑之间的摩擦规律以及超声振动刀具和材料之间动力学模型建立等科学问题开展研究，综合运用材料学、力学、摩擦学、机械学等理论，通过理论建模、数值模拟和实验研究相结合的方法，建立芳纶蜂窝材料冲击断裂本构模型，揭示芳纶蜂窝材料超声复合加工机理，提出刀具切削运动最佳的超声振型复合模式，优化超声加工工艺和工艺参数，对丰富超声加工理论和快速发展超声复合加工技术具有重要理论意义，对提升芳纶蜂窝材料的加工水平具有重要技术支撑作用，对丰富其他多胞材料的加工方法具有一定借鉴意义。

芳纶蜂窝材料具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀等优良性能，在航空、航天、军工、交通等领域得到越来越广泛的应用。其正交各向异性的力学特性和非连续的材料结构特点，使传统的高速铣削加工难以保证结构件加工质量和加工效率。项目以芳纶蜂窝材料超声切割为研究对象，通过理论建模、数值模拟和实验研究相结合的方法，围绕蜂窝材料的弹塑性本构模型建立、蜂窝材料的超声切割机理、切削热对声学系统性能影响、切削过程仿真技术和基于切削机理的工艺优化等内容开展研究。具体研究内容和成果包括：. 1）根据芳纶蜂窝材料的结构特性和蜂窝芯零件曲面加工的特点，对材料进行均质化等效处理，在正交各向异性材料的本构模型基础上建立任意切割平面上蜂窝材料的等效弹塑性本构模型。. 2）以尖形刀超声切割工艺为基础，分析超声纵振模式下尖形刀运动学特征，基于断裂力学研究芳纶蜂窝复合材料的超声切割机理，为超声切割加工工艺参数的优化和超声波声学主轴的设计提供理论依据。. 3）分析了超声切割热源的产生原因，对芳纶蜂窝复合材料超声切割热的产生机理及传导特点进行理论分析，建立超声切割热理论模型；在分析超声切割温度与超声切割系统振幅之间关系的基础上，建立超声切割温度与超声系统中振幅关系的理论模型。. 4）以材料建模、材料失效方式以及摩擦特性等方面作为重点开展蜂窝材料超声切削过程数字仿真研究，与实验结果比较表明，蜂窝材料采用等效实体模型的切削过程仿真能够满足工艺参数优化的需求，采用结构模型可以真实体现刀具上负载情况和蜂窝材料的切削变形过程。. 项目研究对丰富超声加工理论和快速发展超声复合加工技术具有重要理论意义，对提升芳纶蜂窝材料的加工水平具有重要技术支撑作用，对丰富其他多胞材料的加工方法具有一定借鉴意义。基于项目研究工作研制的超声切削主轴已经在企业得到工程应用。