单向增强纤维振动辅助切削中的力学和材料去除机制毕业设计英文翻译附原文(编辑修改稿)

单向增强纤维振动辅助切削中的力学和材料去除机制毕业设计英文翻译附原文(编辑修改稿)内容摘要：

图 5 显示了在切割过程中取 v=1m/min， pa =30 m 时的纤维变形（蓝色线）和纤维基体界面脱粘 – 深度的变化（红色线）。 当施加超声振动，频率kHzf  ， CDVA 切削中， a= m ， b=0 m ； NDVA 切削中， a=0 m ，b= m ； EVA 切削中， a= m ， b= m。 图 5（ a）描述了一个在传统切削过程中纤维的变形。 很明显，由于刀具的连续压。 纤维向刀具前弯曲。 增加的偏转与工具的前直到在 t = 248 s ，纤维断裂。 通常，纤维与基质脱粘深度是用来描述损伤程度。 在这种情况下，纤维随着变形的增加的，脱胶出现在 t= 23μ s 的第一时间，随着刀尖到纤维的脱粘渗透深度的增加，最终 最大深度 h= m。 显然，传统的方法会导致较大的工件变形，导致很深的伤害，切割材料效率低。 当振动作用于进给方向的切削，即，示于图 5（ b）的 CDVA 切削，所得到的速度由进给速度和振动速度的确定。 在开始时，进给率和振动速度在同一方向，与传统的 t=23 m 相比，导致纤维与基体脱粘在 t=3 m 时。 随着脱粘深度不断增加这两成分急剧增加到最大的合成速度和 0 然后下降（ t = 10 μ s）。 之后，切割尖端开始向后移动，由于振动的相移，脱粘停止向下传播，在第一切削循环达到其最大深度（ h= m ）。 这个过程一直持续到第二切削循环开始，t=59 s 时，由此带来的脱粘进一步传播。 最后，纤维在第三切削循环断裂，t=121 s ，脱粘深度 h= m。 显然，在切削方向的振动的应用不仅改善了表面质量（三分之一的脱粘深度降低），而且提高了加工效率。 当振动施加垂直于进给方向，即，该 NDVA 切割图 5 所示（ C），这是明显的垂直振动的应用带来的速度连续变化，从而改变刀具的最初直线轨迹。 因此，刀具的相关运动，沿纤维轴产生额外的摩擦使纤维断裂前，减少脱层的穿透深图。 a：传统切削（ ap=30μm， v=1m/min）， b： CDVA 切削（ ap=30μm，v=1m/min， f=， a=， b=0μm）， c:NDVA 切削（ ap=30μm， v=1m/min， f=，a=0μm， b=)， d:EVA 切削 （ ap=30μm， v=1m/min， f=， a=， b=)。 20 度。 另外，切削速度下只 占半个振动周期，这使得保持粘合深度进一步缩短。 可以看出，垂直振动的应用还可以提高表面质量和提高切削效率。 当应用椭圆振动，如图 5（ d）， EVA 切削融合了 CDVA 和 NDVA 的优点。 显然，EVA 切削仅仅就是在 CDVA 和 NDVA 运动合成。 然而，这种合成带来了极为优越的特性。 一方面，水平振动的应用有助于早出现脱粘（同 CDVA 切割）和增加法向力对纤维启动纤维早期断裂。 另一方面，垂直振动改变刀具轨迹带来更高的沿纤维摩擦加速断裂（纤维断裂在 t=7 s 时）。 同时，这大大缩短了时间跨度，阻碍脱粘扩展，使脱粘深度 h=，比其他所有的切削过程以上讨论的要小。 图 6显示了碳纤维复合材料表面的传统和振动辅助切削加工方法，在脱粘区已用红色线强调了。 可以看出，传统的切割时产生大量的脱粘区，导致在表脱粘区 图 复合材料加工后表面。 a：传统切削（ ap=30μm， v=1m/min）， b:EVA 切削（ ap=30μm，v=1m/min， f=， a=， b=)。 21 面下很深的伤害，如图 6（ a）所示。 振动辅助切削在很大程度上提高加工表面完整性。 如图。 6（ b）， CDVA 切削（在切割方向振动）加速了在非常接近刀具纤维相互作用区的附近纤维断裂，并且因此纤维基质剥离区域小得多。 然而，由于沿切割方向的 切割工具的频繁往复运动，纤维和基体的表面也脱胶。 图 6（ c）显示了 NDVA 切割表面质量（振动垂直于切割方向），这表明应用振动降低纤维基体界面脱粘有效。 然而，在 NDVA 切削中，由于刀具在垂直方向上的纤维往复滑动，刀具 – 纤维接触位置瞬间变化。 因此，纤维上的断裂点是不可预测的，导致一个不规则的破裂面。 最佳的表面质量是由 EVA 切削产生，不仅使表面更加光滑，而且纤维基体界面脱粘区 – 最小化，如图 6（ d）所示。 这些实验结果与从上述模型预测的吻合良好。 脱粘深度 切削深度 EVA 切削 EDVA 切削 CDVA 切削 传统切削 图 基体脱粘深度的影响 22 图 7显 示了切削深度对纤维 – 基体脱粘深度的影响。 看来，刀具的振动或切割或法线方向可以降低纤维与基体界面脱粘深度。 在第 节中讨论的关于纤维的力学变形特性，根据切削深度，对沿纤维降低刀具和纤维的接触位置进入表面深度的挠度。 纤维进入表面下的深度，取决于切削深度。 特别是，随着切削深度到 )27(/ m  ，其中 / 是纤维在 EHM 基础的特征长度，挠度的衰减率降低。 因此，切削深度的 增加带来了增大的脱粘深度。 相反，刀具的垂直方向振动使刀具和纤维的接触位置在切割过程中瞬间变化，进而改变脱粘深度。 图 8显示了由传统的 EVA 切削 100 m 深度以下完成的表面。 图 6 所示，切削30 m 的深度下的结果比较，可以看出，当切削深度达到一个临界值，进一步增加不会影响脱粘深度。 图 复合材料加工后表面。 a：传统切削（ ap=100μm， v=1m/min）， b:EVA切削（ ap=100μm， v=1m/min， f=， a=， b=)。 单位宽度切削力 最大拉应力 切削时间 23 单位宽度切削力 最大拉应力 切削时间 单位宽度切削力 最大拉应力 切削时间 24 图 9显示了在相同的条件下，切削力的模型（ simF ）预测和实验（ expF ）的力值变化，切削力每单位宽度的切割。 由于测功机 Kistler 9256a1 限制（采样频率 100 kHz；固有频率 ），在高频率周期的切削力的准确的瞬时变化（大于 ）是不可测量的；因此用平均力比较。 结果表明，传 统的切割需要最大切削力最大，其次是 NDVA 和 CDVA 切削， EVA 切削最小。 在传统的切削，切削力的方向与最大拉应力随刀具直到纤维是在 t= 248 s （图 9（ a））。 在这个过程中，两个转折点特别感兴趣的是：一个对应于纤维与基体的脱粘在 t = 248 s 的第一次出现，其中的变化模式的力方向改变从指数的线性；另一个对应于在 t = 248 s 的定义式（ 16）的接触宽度 L 缩短初期，所带来的切削力 Z方向向下。 然而，振动的应用使得这种模式削弱。 作为刀具和工件的振动方向之间的间歇接触的结果，相应的切削力和拉伸应力相应地波动。 然而，由于振动的频率比切削系统的固有频率高得多，刀具的动态刚度大大提高，比传统的切削 [3437]，因此在每个切削时间拉应力迅速增加。 这个效果在 EVA 切削中是显著的，在一个更小的切削力下纤维断裂更早，如图 9（ d）所示。 单位宽度切削力 最大拉应力 切削时间 图。 a：传统切削（ ap=30μm， v=1m/min）， b： CDVA 切削（ ap=30μm，v=1m/min， f=， a=， b=0μm）， c:NDVA 切削（ ap=30μm， v=1m/min， f=，a=0μm， b=)， d:EVA 切削（ ap=30μm， v=1m/min， f=， a=， b=)。 25 单位宽度切削力 切削深度 传统 单位宽度切削力 切削深度 传统 图。 a： x 方向， b： z 方向（传统切削 ap=30μm， v=1m/min， CDVA切削 ap=30μm， v=1m/min， f=， a=， b=0μm， NDVA 切削 ap=30μm， v=1m/min，f=， a=0μm， b=， EVA 切削 ap=30μm， v=1m/min， f=， a=， b=)。 26 图 10 比较了，当切削深度 pa 的变化从 5 m 到 100 m 的预测结果（线）与实验测量（散射点）结果。 可以看出，切削力在切削和法线方向随着切削深度增加。 当振动施加在刀尖，切削力变小， EVA 切削具有最好的性能。 可以看出，模型的预测结果与实验结果非常吻合，表明力学模型建立了有 无超声振动切削纤维捕获的主要变形机制。 本文成功建立了单向纤维增强复合材料的切割和无刀尖的振动力学。 研究还揭示了主要的材料去除机理，针对纤维变形的影响，纤维断裂和纤维与基体界面脱粘。 该模型的性能已经通过实验验证了。 从仿真和实验的结果得出了以下主要结论： 刀具振动的应用能明显降低切削力，减少纤维变形，使纤维断裂的位置非常接近的工具和纤维的接触区，减少穿透深度的纤维与基体的脱粘，从而提供更好的完整性的表面。 （ 2）一个刀尖椭圆振动轨迹（ EVA 切削模式）提供了最佳的性能。 这是因为垂直振动总是施加一个对纤 维的表面额外的拉伸应力，在高频率和在切削方向的振动分量的动态效应，进一步加速了在切削过程中纤维断裂而使纤维变形。 （ 3）在一般情况下，增加切削深度会增加在 FRP 复合材料表面下纤维与基体界面脱粘深度。 然而，存在一个临界切削深度超出该深度脱粘深度不变化。 致谢： 作者感谢澳大利亚研究理事会对这项工作的资金支持。 这项工作是由 NCI国家基金下设的优异分配计划奖励支持。 参考文献 [1] . 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