NOMEX蜂窝材料高速加工工艺及固持可靠性研究

论文摘要

蜂窝芯复合材料自从问世以来就以其一系列传统材料所不具备的优点，备受航空、航天界的青睐，成为航空、航天发展不可缺少的材料之一。蜂窝芯材料制作完成以后，需要进行一定的铣削加工，以满足装配、连接等要求，所以蜂窝芯复合材料的铣削加工是蜂窝材料制品从研制到应用中的一个重要环节。目前蜂窝加工因其固持方式落后，铣削加工参数仅靠经验确定的原因，蜂窝芯零件的加工效率和加工质量很难达到设计要求。零件表面质量差，加工精度低，甚至因为固持力不足，蜂窝被刀具拉起，过切、报废的现象时有发生。为了解决蜂窝加工中出现的问题，论文在详细分析蜂窝加工工艺过程的基础上，采用有限元模拟、理论建模和试验相结合的方法，对蜂窝高速铣削加工工艺及蜂窝固持方法进行了深入、广泛的研究。 论文的第一章阐述了复合材料的基本概念、发展过程以及应用领域，介绍了蜂窝夹芯材料的特点及应用，揭示了蜂窝芯加工在我国航空航天业中的重要地位，分析了目前蜂窝芯高速加工过程中影响蜂窝加工表面质量的各种因素。 第二章介绍了复杂型面类NOMEX蜂窝高速铣削加工工艺流程，总结出了蜂窝加工中的关键技术以及存在的问题。论文针对蜂窝加工中关键工艺环节之一的固持工艺进行了深入的研究，揭示了目前固持方法中存在的问题，并介绍了一种基于强磁场和摩擦学原理的纸基蜂窝固持方法以及辅助装备。 第三章提出了NOMEX蜂窝芯材料高速铣削加工过程的三维有限元建模方法，研究了材料属性、刀屑摩擦、材料失效准则、能量耗散与局部热传导等有限元模拟所涉及的若干关键技术。最后，通过NOMEX蜂窝的铣削加工试验进行了模型的合理性验证和模型的修正工作，得到了满意的有限元模型。 第四章通过NOMEX蜂窝高速铣削加工的三维有限元模拟与铣削加工试验，揭示了铣削参数对铣削力以及加工表面质量的影响规律，并建立了以铣削参数为因子的铣削力模型以及加工表面质量的量化模型。同时，论文提出了基于加工效率和加工质量不变情况下，使铣削力达到最小的铣削参数优化方法，避免了加工效率和加工质量顾此失彼的状况。 第五章通过NOMEX蜂窝高速铣削加工的三维有限元模拟，分析了铣削热在蜂窝铣刀上分布的规律及影响刀具温度的主要因素。利用三元二次回归正交设计方法，建立了铣削参数的刀具温度模型，揭示了铣削参数对切削齿刃及底部圆片铣刀温度的影响规律。最后，根据铣削温度和铣削力模型进行了基于刀具寿命最优的铣削参数优化。

论文目录

• 全文摘要
• ABSTRACT
• 本文使用的主要符号及其单位
• 第一章 绪论
• 1.1 复合材料及其应用
• 1.2 蜂窝夹层结构复合材料的特点及应用
• 1.2.1 蜂窝层芯结构及其特点
• 1.2.2 夹层结构复合材料在航空工业中的应用
• 1.3 蜂窝芯材料加工工艺的研究现状
• 1.4 论文的研究背景、意义及目的
• 1.4.1 研究背景
• 1.4.2 研究工作的意义和目标
• 1.5 论文研究的内容和总体框架
• 第二章 复杂型面NOMEX蜂窝芯高速铣削加工工艺
• 2.1 引言
• 2.2 复杂型面NOMEX蜂窝的加工工艺流程
• 2.2.1 蜂窝固持流程
• 2.2.2 加工坐标系的设定
• 2.2.3 加工蜂窝型面
• 2.3 蜂窝芯铣削加工的关键技术
• 2.3.1 蜂窝芯固持技术
• 2.3.2 数控加工技术
• 2.4 NOMEX蜂窝芯固持工艺
• 2.4.1 蜂窝芯常用固持方法
• 2.4.2 基于磁场和摩擦学原理的纸基蜂窝固持方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 NOMEX蜂窝芯高速铣削加工有限元模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 蜂窝铣削用刀具
• 3.3 NOMEX蜂窝纸材料力学性能分析
• 3.3.1 NOMEX纸应力传递原理
• 3.3.2 NOMEX纸弹性模量的理论预报
• 3.3.3 NOMEX蜂窝材料性能实验
• 3.4 NOMEX纸材料模型及失效准则
• 3.5 有限元模拟其它关键技术
• 3.5.1 有限元模拟中的非线性问题
• 3.5.2 高应变率状况下的NOMEX蜂窝材料本构特征
• 3.5.3 切屑与刀具的接触、摩擦
• 3.5.4 能量耗散与局部热传导
• 3.6 蜂窝铣削加工有限元模拟过程
• 3.7 有限元模型的实验验证
• 3.8 本章小结
• 第四章 NOMEX蜂窝芯高速铣削加工三维有限元模拟
• 4.1 引言
• 4.2 蜂窝铣刀的力学特性
• 4.2.1 通用螺旋铣刀的力学模型
• 4.2.2 蜂窝铣刀的切削特性分析
• 4.3 主轴摆角对铣削力的影响规律
• 4.3.1 复杂蜂窝型面五坐标加工刀具轨迹的确定
• 4.3.2 铣削力模拟二元二次回归正交设计
• 4.3.3 铣削力随主轴摆角的变化规律分析
• 4.4 铣削用量对铣削力的影响规律
• 4.4.1 铣削深度对铣削力的影响规律
• 4.4.2 铣削宽度对铣削力的影响规律
• 4.4.3 主轴转速对铣削力的影响规律
• 4.4.4 进给速度对铣削力的影响规律
• 4.5 铣削参数的优化分析
• 4.5.1 复杂型面NOMEX蜂窝加工表面质量的优化分析
• 4.5.2 基于加工效率和加工质量不变的铣削参数优化
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于有限元模拟的刀具温度预测及寿命的优化分析
• 5.1 引言
• 5.2 蜂窝铣刀铣削温度的模拟分析
• 5.2.1 蜂窝铣刀铣削热的分布规律
• 5.2.2 影响刀具温度的主要因素及其影响规律
• 5.3 基于刀具寿命最优的铣削参数优化
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于磁场和摩擦学原理的固持方法的可靠性分析
• 6.1 引言
• 6.2 固持平台的性能测试
• 6.3 铣削力在固持平台上的分布特征
• 6.3.1 利用有限元模拟铣削力在固持平台上的分布
• 6.3.2 铣削力在固持平台上分布状况测试试验
• 6.4 蜂窝固持方法的可靠性分析
• 6.5 基于加工效率最优的铣削参数优化
• 6.6 固持平台的铣削试验
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表（撰写）的论文及参加的科题
• 致谢