一种复合材料切削热分配系数的计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于复合材料切削加工技术领域，涉及一种将碳纤维复合材料纤维方向考 虑在内的切削热分配系数的计算方法。
【背景技术】
[0002] 复合材料中的树脂基体是一种对温度极其敏感的热固性高分子材料，在高温的影 响下极易发生软化、失去强度甚至碳化分解，这就容易使材料中的增强纤维失去支撑和保 护，在受到切削力的作用时加剧损伤的产生。而切削热分配系数是决定切削热传入工件热 量大小的关键，若能发明一种加工过程中的切削热分配系数计算方法，对研宄工件温度分 布、减小切削热影响、提高加工效率具有重要的应用价值。由于复合材料具有各向异性、层 叠特征，导致复合材料切削热传导过程与金属存在差异，导致金属加工过程中切削热分配 系数计算方法不适用于复合材料。
[0003] 针对这一问题，Olga Klinkova、Sylvain Drapier等人发表的《Characterization of friction properties at the workmaterial/cutting tool interface during the machining of randomly structured carbon fibers reinforced polymer with carbide tools under dry conditions))一文在〈〈Tribology International〉〉2011年第44期第 2050到2058页中用材料的热导率、密度、比热容来计算碳纤维复合材料磨擦试验过程中切 削热流入磨头的比例系数；Chung-Shin，Je_Ee Ho，Chang_Hu Chan and Baw-Chiang Hwang 发表的〈〈Prediction of Cutting Temperature in Turning Carbon Fiber Reinforced Plastics Composites with Worn Tools》一文在《Journal of Applied Sciences》2011 年第22期第3698到3671页中利用传热反问题的计算方法对碳纤维复合材料车削过程中 切削热传入切肩的比例进行研宄。但是，上述研宄中不仅计算量大、计算复杂，而且没有考 虑纤维方向对热分配系数的影响，导致计算结果误差较大。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有方法无法考虑纤维方向对切削热分配系数影响的缺陷，发明一种 复合材料切削热分配系数的计算方法。该方法根据复合材料不同纤维方向、不同工艺参数 及刀具几何参数下所产生的已加工表面回弹量，并结合傅里叶传导定律及其传热反问题的 求解方法，得到传入刀具的热量。由于复合材料加工过程塑性变形很小，主要的热源来自刀 具与复合材料之间的摩擦，通过对加工过程消耗总能量的计算，最终获得加工过程刀具和 工件之间的热分配系数。使用本发明推导的公式将纤维方向和刀具角度全部考虑在内，计 算方法简单准确。
[0005] 本发明采用的技术方案是一种复合材料切削热分配系数的计算方法，该方法根据 复合材料不同纤维方向、不同工艺参数及刀具几何参数下所产生的已加工表面回弹量，并 结合傅里叶传导定律及其传热反问题的求解方法，得到传入刀具的热量，再通过对加工过 程消耗总能量的计算，最终获得加工过程刀具和工件之间的热分配系数；计算方法采用如 下步骤：
[0006] 步骤1 :利用傅里叶热传导定律推导出切削热分配给刀具部分的比例系数表达式 为，
【主权项】
1. 一种复合材料切削热分配系数的计算方法，其特征是，该方法根据复合材料不同纤 维方向、不同工艺参数及刀具几何参数下所产生的已加工表面回弹量，结合傅里叶传导定 律及其传热反问题的求解方法，得到传入刀具的热量，再通过对加工过程消耗总能量的计 算，最终获得加工过程刀具和工件之间的热分配系数；计算方法采用如下步骤： 步骤1:利用傅里叶热传导定律推导出切削热分配给刀具部分的比例系数表达式为，
式中，A:为切削热分配给刀具部分比例系数，W为切削过程产生的总热量，A为刀具与 工件接触面积，k为刀具的热导率，AT为刀具测温点与刀刃之间的温度差，L为刀具上测温 点与刀刃之间的距离； 切削热分配给工件部分的比例系数表达式为，
式中，A2为切削热分配给工仵部分的比例系数； 步骤2 :根据测力仪测量所得的平均水平切削力与设定的切削速度的乘积计算加工过 程中单位时间内产生的总热量，表达式为， ff=Ft ?V(3) 式中，Ft表示平均水平切削力，V表示切削速度； 步骤3 :根据不同纤维方向复合材料的已加工表面回弹量不同计算刀具与工件的接触 面积考虑复合材料纤维方向、刀尖圆弧与工件接触的长度、回弹的已加工表面与刀具后刀 面的接触长度、刀具前角和刀具后角得到刀具与工件接触面积的表达式：
式中，0为纤维方向，定义为从切削方向顺时针旋转到纤维所处位置而经过的角度， E?( 0 )为刀具和复合材料的等效法向弹性模量，Fy平均法向接触力，Re为刀尖圆弧半径，1t 为工件厚度，a为刀具后角，y为刀具前角： 步骤4 :根据传热反问题求解方法得到刀刃处与测温点处温度差的关系表达式为： AT= 1. 3Ttest-Ttest= 0. 3Ttest (5) 式中，Ttest为测温点处的温度值： 步骤5 :将式（3)、式（4)、式（5)带入公式（1)中，得到切削热分配给刀具的比例系数 关系式为：
切削热分配给工件的比例系数关系
式为： 完成复合材料切削热分配系数的计算。
【专利摘要】本发明一种复合材料切削热分配系数的计算方法属于复合材料切削加工技术领域，涉及一种将碳纤维复合材料纤维方向考虑在内的切削热分配系数的计算方法。该方法根据复合材料不同纤维方向、不同工艺参数及刀具几何参数下所产生的已加工表面回弹量，并结合傅里叶传导定律及其传热反问题的求解方法，得到传入刀具的热量，再通过对加工过程消耗总能量的计算，最终获得加工过程刀具和工件之间的热分配系数。本发明推导的公式中，将纤维方向和刀具角度全部考虑在内，得到刀具前角、刀具后角、切深、纤维方向对切削热分配系数的影响关系；在加工不同纤维方向的复合材料过程中，准确计算出刀具与工件的切削热分配系数，使计算出的温度场分布更接近实际。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104615876
【申请号】CN201510042392
【发明人】贾振元, 殷俊伟, 王福吉, 陈晨, 朱浩杰, 宿友亮
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月28日