Mechanical Behavior of Material Removal and Predictive Force Model for CFRP Grinding Using Nano Reinforced Biological Lubricant

Abstract

摘要： 碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)由于比强度和比刚度高且能实现材料结构性能一体化设计制造，已成为航空航天装备减重的优选材料。精密磨削是CFRP成形后保证装配公差和精度必需的加工方法。切削液解决了磨削界面强热力作用下冷却润滑和排屑等问题，但CFRP易吸湿膨胀导致力学性能降低限制了浇注式润滑的应用。而干切削易造成表面完整性恶化和粉尘污染，以极少量生物润滑剂雾化浸润切削区的准干式切削加工是必然选择。然而，对于非均质各向异性的CFRP的精密平面磨削材料去除力学行为尚不明确。基于此，提出了基于纳米增强生物润滑剂微量润滑的CFRP磨削方法。首先，分析了磨削区磨粒的几何学运动学规律，研究了随机磨粒对多相异质CFRP的随机碳纤维的磨削干涉状态。其次，揭示了磨粒纤维的接触力学行为和磨粒对纤维断面的挤压材料去除机理。分析了单侧约束纤维的弯扭破坏及其所致界面相剥离，通过多纤维块状去除力学行为分析确定了纤维束去除中纤维断裂平均应力。建立了磨粒与纤维的椭圆域接触力学模型，和基于拉伸断裂破坏的单纤维切削力学模型。最后，考虑砂轮工件界面摩擦建立了不同工况的CFRP平面磨削力模型并进行了实验验证，最优条件下模型误差14.73%。结果表明，纳米增强生物润滑剂微量润滑的磨削力最低，法向和切向力相比干磨削分别降低了22.93%和55.79%。

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