直刃尖刀超声辅助切割Nomex蜂窝芯切削力分析

以直刃尖刀超声辅助切割Nomex蜂窝芯的简化模型为基础,建立基于脆性断裂力学理论的超声辅助切削动态力模型,并分情况讨论了刀具与材料间的相对运动关系。分析指出在不同振幅条件下,材料的切割破坏存在断续和连续两种形式,进而推导了切割过程中的切削力的理论公式。其中超声振幅、刀具前倾角、进给速度和超声频率等参数对材料切削力大小均有影响。在理论分析的基础上,开展了超声辅助切割Nomex蜂窝芯复合材料实验。试验结果表明,进给方向的超声振幅和刀具前倾角对切削力的影响较大:当进给方向的超声振幅从0到15μm变化、刀具前倾角从15°到45°变化时,切削力均可降低70%~80%;进给速度和超声频率对于切削力影响较小:当进给速度从500到6000 mm/min变化12倍时,切削力仅变为1.5倍;超声频率35 k Hz与15 k Hz相比,切削力降低10%~30%。试验结果与理论分析结论一致。

刀具参数对Nomex蜂窝芯超声切削性能影响分析

直刃尖刀是一种常用的切削Nomex蜂窝芯的超声切削刀具,其刀具参数直接影响着Nomex蜂窝芯的切削性能.基于ABAQUS有限元分析软件,建立了Nomex蜂窝芯超声切削力热耦合分析的三维有限元模型.采用单因素法,研究刀具长度、刃角和厚度等参数对进给力和切削温度的影响.分析结果表明:在Nomex蜂窝芯超声切削过程中进给力和切削温度均随着刀具长度的增大而减小,随着刀具厚度和刀具刃角的增大而增大.同时通过建立Nomex蜂窝芯超声切削过程中进给力和切削温度的数学模型,分析刀具参数对进给力和切削温度的影响规律,验证了有限元分析结果的正确性.

采用半圆弧刀具超声插切Nomex蜂窝芯的新方法

Nomex蜂窝芯材料具有各向异性、弱刚度的特点,是一种典型的难加工材料。为解决传统插切刀具加工Nomex蜂窝芯时存在的排屑困难、切屑侧的压溃面积大等问题,提出一种采用半圆弧刀具超声插切Nomex蜂窝芯的加工方法。设计了一种新型半圆弧形插切刀具,分析了超声作用下半圆弧形插切刀具的运动规律,揭示了超声振动的引入使切削过程由连续切削变为断续切削的机理。开展了半圆弧刀具超声插切Nomex蜂窝芯的试验,分析了振幅与进给速度对切削力与切削质量的影响规律。试验结果表明,半圆弧刀具超声插切Nomex蜂窝芯可获得良好的加工效果,超声振动的引入可有效降低插切切削力,提高切削表面质量。研究的半圆弧刀具超声插切技术为蜂窝芯零件轮廓边界的高质量加工提供了新的方法。

Nomex蜂窝芯直刃尖刀超声切割表面微观形貌特征

Nomex蜂窝芯是典型的难加工材料,具有高比强度,比刚度及各向异性的特点。超声辅助切割是蜂窝芯复合材料的一种高效加工方法,可以得到比高速铣削更好的加工质量。但是在超声切割加工过程中依然会存在不同程度的纤维拔出,酚醛清漆层剥落等加工缺陷特征。为了研究其微观形貌特征,采用纵切,斜切,横切三种方式切割蜂窝芯,并对蜂窝芯的加工形貌进行观测。根据微观形貌在蜂窝芯壁上的位置,分别归纳为酚醛清漆层、热压芳纶纸层和蜂窝壁的形貌。研究超声刀具加工参数对材料破损形貌特征的影响。结果表明在10μm到30μm范围内提高超声刀具振幅,在500 mm/min到3 500 mm/min范围内降低进给时会降低蜂窝芯加工过程中的酚醛清漆层剥落的几率。

Nomex蜂窝芯静态压缩屈曲与后屈曲分析

基于自动铺丝工艺,为获得良好的蜂窝夹层结构自动铺放成型质量,建立了Nomex蜂窝芯在压辊压力下的屈曲、后屈曲和破坏整个失效过程的数值分析方法。采用线性屈曲分析法(特征值分析法)对蜂窝单元进行屈曲分析,得到一阶屈曲模态、屈曲特征值及屈曲载荷;引入初始结构几何缺陷,采用非线性屈曲分析法(弧长法)对Nomex蜂窝单元后屈曲行为进行分析,输出参考点RP-1的载荷-位移曲线,得到弧长法计算的屈曲载荷以及极限载荷值。通过对比试验结果与两种屈曲分析法得到:对于分析临界屈曲载荷,特征值法较弧长法更精确;而弧长法可以更好模拟结构的后屈曲行为,计算结果与试验数据基本吻合,为Nomex蜂窝夹心结构自动铺放成型过程中铺放压力的选取提供参考。

基于响应曲面法的NOMEX蜂窝芯超声复合铣削力预测模型构建

铣削力是NOMEX蜂窝芯加工中主要的物理量,铣削力不仅影响加工质量,还影响蜂窝的固持状态。由于蜂窝芯材料的力学性能及切削性能不同于常用的金属材料,现有的金属切削力公式无法适用于超声复合铣削蜂窝切削力的计算。针对此问题,开展了NOMEX蜂窝材料超声复合切削实验,采用中心复合响应曲面法,建立了超声复合铣削NOMEX蜂窝材料的三方向铣削力预测模型,并将模型计算出来的数据与实验数据对比,验证了预测模型的有效性。基于该模型,研究了各个因素对铣削力的作用规律及各个因素之间的交互作用。结果表明:该模型可以有效预测超声复合铣削蜂窝材料过程中的铣削力;铣削宽度对铣削力影响最显著,其次进走刀速度,切削深度对切削力影响最小,交互项对铣削力也影响显著;铣削力随走刀速度、铣削深度和铣削宽度增加而增大。

圆片刀超声切削Nomex蜂窝芯的切削力和表面质量研究

为了研究圆片刀加工参数对切削力和表面质量的影响,首先对圆片刀超声切削和普通切削的切削力进行了理论分析,在此基础上开展了圆片刀超声切削Nomex蜂窝芯试验,获得了进给速度、刀具转速和超声振幅对切削力的影响规律。进一步以蜂窝芯孔壁撕裂数量和长度作为加工表面质量的表征参数,定量研究了加工参数对于蜂窝芯表面质量的影响。试验结果表明:普通切削条件下,增大刀具转速和减小进给速度可以有效降低切削力;随着超声振幅的增大,切削力显著减小,相比普通切削,当超声振幅为35μm时,进给方向的切削力和刀具轴向的切削力分别减小53.1%和33.9%;切削力试验结果与理论分析结果一致。此外,Nomex蜂窝芯孔壁撕裂数量随着刀具转速的增大和进给速度的降低而减少,超声振动作用可以有效减少蜂窝芯孔壁撕裂的数量和长度。研究为圆片刀超声切削Nomex蜂窝芯的加工参数的选择提供参考。

超声插切Nomex蜂窝芯试验研究

针对Nomex蜂窝芯构件中沿孔格轴向的轮廓边界加工复杂、质量不易控制等问题,在插切加工的基础上提出了一种超声插切的加工方法。开展了超声插切Nomex蜂窝芯试验研究,分别在刀具转速500~1500r/min和进给速度1000~3000mm/min下,进行了传统插切与超声插切的切削力测量和切口质量观测试验。试验结果表明,对比传统插切加工,振幅为20μm的超声插切加工在以上加工参数下均能有效降低切削力,平均降幅20%左右;超声插切加工Nomex蜂窝芯切口相对传统插切切口更加平顺、整齐、无毛刺。结合试验结果,进一步分析了刀具与工件在超声插切过程中的相对运动关系和切削力,从理论上解释了超声插切加工中切削力小和插切质量好的原因。

超声振动切割Nomex蜂窝芯材料的研究

为了解决Nomex蜂窝芯材料成形加工过程中加工表面质量差、易产生毛刺、撕裂、脱胶、压溃等问题,研制了一种超声振动切割装置,进行了超声振动切割加工研究。超声振动切割装置的加工性能取决于超声振动系统设计。首先对超声振动切割工作头的结构设计进行了理论探讨,然后采用ABAQUS软件对设计结构进行模态分析、检验及修正。在针对Nomex蜂窝芯材料进行有无超声的初步切割实验中,通过超景深对切割表面进行了放大观察,结果表明:超声振动切割Nomex蜂窝芯材料具有良好的加工性能。

匕首刀超声切削Nomex蜂窝芯复合材料切削力预测模型构建

蜂窝芯复合材料是广泛应用于航空、航天等领域的高性价比材料,但其加工过程中常因加工参数等原因造成芯格撕裂、破损等缺陷。切削力是衡量匕首刀超声振动切削Nomex蜂窝芯材料加工质量的重要物理量,为进一步优化加工参数,通过排除芯带粘接及切削位置对切削力的影响,建立匕首刀切削力预测模型,分析了在不同切削深度、进给速度、刀具前倾角及刀具侧倾角下匕首刀切削力的变化规律。实验结果及分析表明,修正及优化后建立的预测模型拟合情况良好,可用于预测对应变量对切削力的影响。随着刀具倾角的减小,切削力减小,且相较于前倾角,侧倾角影响更大。

圆盘锯齿刀超声切削Nomex蜂窝芯力热分析

为探究Nomex蜂窝芯圆盘锯齿刀超声切削过程中切削参数与切削力热的映射关系,开展圆盘锯齿刀超声切削Nomex蜂窝芯复合材料仿真及试验研究,分析主轴转速、进给速度、切削宽度和切削深度对切削过程中切削力热的影响,建立了切削温度随进给速度、主轴转速的一次回归模型。结果表明:所建立仿真模型最大误差为11.2%,可有效预测切削力与切削温度;三向切削力随着切削宽度,切削深度,进给速度的增大而增大,随着主轴转速的增大而减小;进给速度与主轴转速对切削温度影响显著;实际加工中,应采用大切削深度与切削宽度增加切削效率,采用小进给速度和主轴转速以降低切削温度,减少刀具磨损。

倾斜胞壁Nomex蜂窝芯压剪复合力学响应

成形具有一定曲率的夹层结构时,需要将蜂窝芯铣削成曲面形状,造成蜂窝胞壁呈一定倾角,进而降低蜂窝夹芯结构面外承载能力。为了定量化分析面外载荷作用下倾斜胞壁蜂窝芯的力学性能,建立了倾斜胞壁蜂窝芯面外压剪复合有限元模型,并通过设计专用Arcan夹具实现蜂窝芯的面外压剪复合加载,用于验证模型的有效性。对比仿真与实验结果,发现蜂窝芯压剪响应及胞壁变形模式吻合较好。利用验证的有限元模型对胞壁倾角范围为0°~40°的蜂窝芯在面外压剪复合载荷下的力学响应进行了研究,结果表明随着蜂窝胞壁倾角的增大,蜂窝芯面外承载能力逐渐降低;当胞壁倾斜角由0°增加到40°,初始应力峰值下降最大幅度为47.7%,平原阶段强度下降幅度为29%;进一步分析了倾斜胞壁蜂窝芯截面芯格尺寸与胞壁倾角的几何关系,将倾斜胞壁蜂窝芯等效为具有相同截面尺寸的垂直胞壁蜂窝芯,推导了倾斜胞壁蜂窝芯在面外压缩及剪切载荷作用下的坍塌强度,揭示了胞壁倾角对蜂窝芯坍塌强度影响机制。

蜂窝孔格填充对Nomex蜂窝夹芯结构力学性能影响

为了研究不同蜂窝孔格填充方式对Nomex蜂窝夹芯板力学性能的影响,本文设计了4组比对试验,测试了不同蜂窝孔格填充方式下蜂窝夹芯结构的平拉和平压强度。结果表明,发泡胶填充能够显著提高蜂窝夹芯板的平面拉伸和平面压缩强度,且粉状发泡胶和带状发泡胶混合填充的方式能够最大限度提高蜂窝夹芯件的平拉和平压强度。

基于ANSYS11.0的蜂窝纸芯静压特性研究

通过对蜂窝纸压缩破坏过程的分析,建立蜂窝纸芯压缩力学模型及临界载荷的计算方法。利用AN-SYS11.0对不同边长的Nomex蜂窝芯的压缩进行了模拟,得到了不同位移载荷下芯纸的变形特点及应力分布图。结果表明,蜂窝纸的结构参数(特别是纸芯边长)对蜂窝纸芯的承载能力有很大的影响。

基于断裂力学的蜂窝芯超声切削过程分析

针对尖形刀切削Nomex蜂窝芯振动加工参数难以选取等问题,从实际加工工艺出发,构建了尖形刀前倾超声切削蜂窝芯材的运动学方程,并利用脆性断裂力学理论建立了在不同超声振幅进给分量条件下材料在断续、连续两种变形破坏形式下的切削动态应力模型。基于断续变形破坏应力模型的数值仿真预测了振动及加工参数对切削力影响规律,并进行了尖形刀超声振动切削试验,试验数据表明,切削力随超声振幅、刀具前倾角的增大而增大,随进给速度的增大而减小,通过对比试验得出超声振幅进给分量对切削力影响较大,实验结果与理论推导结论一致,证明了切削动态应力理论模型的有效性与合理性。

夹层组件中蜂窝芯收缩控制技术研究

复合材料夹层组件中蜂窝芯与碳纤维预浸料共固化成型,工程上选用的进口Nomex纸蜂窝芯(HRH-10-1/8-3.0)边缘铣切角度及厚度尺寸较大,采用传统胶膜稳定化法预成型后仍存在不同程度的蜂窝芯收缩,变形量无法估计。通过开展技术研究,分别从蜂窝芯边缘铣切角度、顶部R区尺寸、斜削角填充、蜂窝芯余量控制4个方面采取相应的工艺措施。通过开展相关工艺试验证明了措施的可行合理,有效地解决了复合材料蜂窝夹层组件成型过程中蜂窝芯收缩问题。

圆盘刀超声切削振动系统的振动频率数值拟合方法研究

圆盘刀是超声切削NOMEX蜂窝芯材料的刀具之一,其几何参数直接影响超声切削振动系统的振动频率,进而影响超声切削的加工性能。根据刀具几何参数约束区间,确定振动频率数值模型拟合样本点,分别采用三种拟合方法对超声切削振动系统的振动频率进行数值拟合,并进行全区间拟合准确性对比检验。研究结果表明:采用二次多项式逐步回归法拟合出的方程在几何参数全区间内有更高的准确性,建立的振动频率数值模型可以为超声切削刀具几何参数优化的研究提供参考。

飞机复合材料板雷电损伤的试验研究

文章采用组合模拟雷电流分量B、C、D,对飞机上常用的碳/环氧层压结构和碳/环氧NOMEX蜂窝夹芯结构的复合材料板进行雷电损伤试验研究,并对比研究复合材料板表面贴铜网与表面涂PUB抗静电涂料防护方式的雷电防护能力。试验后采用超声C扫描对复合材料板雷电损伤的情况进行分析,结果表明:碳/环氧NOMEX蜂窝夹芯结构的复合材料板雷电损伤比碳/环氧层压复合材料板小;表面贴铜网防护方式的损伤比表面涂PUB抗静电涂料防护方式的小,特别是碳/环氧NOMEX蜂窝夹芯结构复合材料板,表面贴铜网效果显著。