● 摘要
碳纤维复合材料加工表面呈各向异性，具有诸多与金属加工表面不同的缺陷，致使传统二维评定标准无法准确表征其加工表面质量。本文以航空航天高温结构件用碳/碳(C/C)和碳/碳化硅(C/SiC)为研究对象，以准确评定其加工表面质量为目标，针对C/C、C/SiC的铣削和磨削加工，重点研究了三维表面粗糙度和表面缺陷的评定参数、测量方法及采样条件，建立了表面质量评定体系，为实现统一的碳纤维复合材料表面质量评定标准提供参考。基于建立的评定体系，使用响应曲面法建立了铣、磨加工C/C、C/SiC评定参数与加工参数间的回归模型，以实现最大材料去除率和最优加工表面质量为目标，优化加工参数，为实现碳纤维复合材料的自动化加工提供理论模型。主要研究内容如下：
确定了三维表面粗糙度测量的采样面积、采样间距和采样矩阵。基于理论公式，优选了三维表面粗糙度评定参数，建立了基于三维表面粗糙度、分层系数和分形维数表征的表面质量评定参数体系。
首次建立了C/C、C/SiC复合材料铣、磨加工参数与表面质量评定参数的回归模型。通过方差分析和加工实验验证了所建立的模型能够有效预测加工表面质量，使用三维响应曲面，分析了加工参数对表面质量的影响，并以最大材料去除率和最优的表面质量为目标函数，使用Design Expert软件在加工参数值域内求得最优的加工参数：(1) C/C、C/SiC铣削加工中，三维表面粗糙度Sq主要受加工参数一次项及进给平方项的影响，分层系数Fd主要受切削速度和进给的影响，且切削速度和进给之间的交互作用大于其他交互，并存在临界切深（铣削ap=0.3mm，磨削ap=0.35mm）。分形维数D主要受到切深影响，切削速度和切深的交互作用大于其它交互项。对C/C、C/SiC铣削加工，最优加工参数分别为：切削速度V=95.69m/min，每转进给fv=0.08mm/rev，切深ap=0.38mm；切削速度V=80m/min，每转进给fv=0.04mm/rev，切深ap=0.37mm。（2）C/C、C/SiC磨削加工中，Sq主要受一次项的影响，且砂轮线速度和磨削深度的交互大于其他交互项。C/C磨削加工中砂轮线速度对Sq存在临界值(V=2.5m/s)。分层系数Fd主要受一次项的影响，且存在临界切深（铣削ap=0.3mm，磨削ap=0.35mm）。分形维数D主要受到加工参数一次项影响。对C/C、C/SiC磨削加工，最优加工参数分别为：砂轮线速度速度Vs=2.32m/s，每转进给fw=0.02mm/rev，磨削深度ap=0.33mm; 砂轮线速度速度Vs=1.33m/s，每转进给fw=0.06mm/rev，磨削深度ap=0.29mm。
基于Matlab开发了C/C和C/SiC复合材料铣、磨加工表面质量评定参数预测软件。
关键词：碳纤维复合材料，铣削，磨削，表面质量评定，三维粗糙度建模