NOMEX蜂窝复合材料超声切割热研究

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Nomex蜂窝复合材料由于其高比强度、高比刚度、耐腐蚀性好、绝缘性好、质量轻等特性而被广泛应用在航空航天领域。但Nomex蜂窝复合材料是由蜂窝状的纤维材料组成,加工起来非常困难。使用传统的高速铣削加工会产生大量的粉尘,伤害操作者的身体健康,加工出的成品也会出现基体开裂、加工毛刺、外形缺陷等问题。实践证明,使用超声切割技术加工Nomex蜂窝复合材料,能够很好的解决传统加工中存在的加工缺陷。使用超声切割直刃刀对Nomex蜂窝复合材料进行粗加工,加工效率更高,加工表面质量更好,加工方式更环保。但是Nomex蜂窝复合材料超声切割过程中存在切割温度升高迅速,刀具磨损严重,有时甚至出现停振等现象。上述问题中,超声切割热是一个不容忽视的因素,传统加工中对加工热的研究有系统详细的分析,但在超声切割Nomex蜂窝复合材料中,还没有对超声切割热进行相关研究。基于此,本文依托国家自然科学基金项目,针对Nomex蜂窝复合材料超声切割过程中存在的问题,分析了超声切割热源的产生原因,建立了超声切割温度场理论模型,研究了Nomex蜂窝复合材料超声切割温度场对超声振幅影响并进行仿真和实验对比验证。具体研究内容与成果如下:  (1)针对连续超声切割Nomex蜂窝复合材料时,超声切割温度升高迅速和超声切割直刃刀磨损严重的现象,对Nomex蜂窝复合材料超声切割热进行了研究。利用傅里叶定律和能量守恒定律分析了超声切割热源的产生原因,利用热源温度场迭加法建立了超声切割温度场理论模型,研究结果丰富了超声切割Nomex蜂窝复合材料机理研究内容,为工艺参数优化奠定理论基础。  (2)针对连续超声切割Nomx蜂窝复合材料时,超声切割温度过高时超声系统振动效果变差甚至出现停振的现象,对超声切割温度场与超声切割系统关系进行了研究,通过材料力学与弹性力学相关知识,得出了温度与超声切割直刃刀固有频率理论模型,把其带入到振幅公式中,推导出温度与超声切割直刃刀振幅关系的理论模型。温度与超声切割直刃刀振幅理论模型为提高连续超声切割加工效率提供理论支持。  (3)为验证超声切割温度场的理论模型,进行了超声切割Nomex蜂窝复合材料实验,对超声切割温度进行测量并与理论值进行了比较,理论结果与实际测量结果偏差较小。为了验证温度场变化对固有频率的影响关系,对超声切割直刃刀温度与其固有频率关系进行了仿真研究,仿真结果与公式所求结果变化规律相同。为了验证温度与超声振幅变化关系模型,搭建了实验台,利用位移传感器对不同温度下的振幅进行实验测量,实验结果与理论模型结果一致。
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