馬付建,姜禹臣,張生芳,劉宇,沙智華,宿崇

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028) *

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纖維角度對碳纖維復合材料切削性能的影響分析

馬付建,姜禹臣,張生芳,劉宇,沙智華,宿崇

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

針對碳纖維復合材料單層布正交切削建立有限元分析模型，研究不同纖維角度碳纖維復合材料切削加工的表面形貌、切屑形貌和進給切削力，并對纖維角度的影響規(guī)律及其形成原因進行分析，分析結果表明：纖維角度為0°的碳纖維復合材料切削加工表面質量最好，纖維角度為90°方向次之，其次為135°，45°方向最差；纖維角度為0°時，其加工切屑為帶狀或連續(xù)帶狀， 45°的切屑主要為小塊狀，90°的切屑主要為粉末狀，135°的切屑主要為稍大的塊狀；纖維角度在0°～180°范圍內，進給力隨纖維角度的變化曲線近似為正弦狀，在45°附近最大，135°附近最小.

碳纖維復合材料；纖維角度；切屑；表面形貌；切削力

0 引言

碳纖維復合材料是以樹脂為基體，以碳纖維為增強體的復合材料.該復合材料具有密度小、比模量和比強度高、耐腐蝕、抗疲勞，熱穩(wěn)定性、減振性及可設計性好等優(yōu)良特性，因此被廣泛應用于航空航天及一些高端民用產品上.在這些應用中有大量的連接孔、窗口及安裝定位面需要切削加工，其中大部分零部件對加工精度和表面質量均有較高的要求[1].因此，國內外學者針對碳纖維復合材料切削加工表面質量和切削力等方面開展了大量的研究.

Lliescu等[2]建立碳纖維復合材料正交切削離散元分析模型，并分析了不同纖維角度對切削力大小的影響.Santiuste等[3]建立了玻璃纖維復合材料二維正交切削有限元模型，分析了在玻璃纖維復合材料的加工過程中纖維角度對切削力的大小以及加工表面質量的影響.王斌[4]建立了不同纖維角度的碳纖維復合材料二維切削模型，從纖維角度對材料切削破壞機理的角度討論了在螺旋銑孔加工中纖維角度對產生孔壁缺陷的影響.熊威龍等人[5]建立了碳纖維復合材料正交切削模型，分析了背吃刀量對切削力、應力分布以及加工表面質量、形貌的影響.

本文針對碳纖維復合材料正交切削加工建立有限元分析模型，研究纖維角度對碳纖維復合材料切削加工表面形貌、切屑形貌和進給切削力的影響規(guī)律.

1 有限元分析模型的建立

1.1 碳纖維復合材料屬性

由于碳纖維復合材料通常是由碳纖維和樹脂復合而成的單層碳纖維布，用樹脂層層粘接而成，因此在研究碳纖維復合材料切削加工時，可以以碳纖維復合材料單層布為研究對象進行研究.由于單層布在厚度方向上的尺寸遠小于其他兩個方向上的尺寸，可以近似地認為復合材料單層布為平面應力狀態(tài)，因此該材料的本構關系式可表示為：

(1)

本文選用型號為T300/5208的環(huán)氧樹脂基碳纖維復合材料為切削加工對象，材料屬性如表1所示，表中：XT和YT分別為纖維方向和垂直于纖維方向上的拉伸強度；XC和YC分別為纖維方向和垂直于纖維方向上的壓縮強度；S為平面剪切強度.

表1 T300/5208碳纖維復合材料單層布材料屬性 [6-7]

1.2 切削失效準則

碳纖維復合材料在切削加工中的主要失效形式包括纖維拉伸斷裂和壓縮屈曲失效，基體在纖維方向上的拉伸和剪切斷裂及在纖維方向上的壓縮和剪切壓潰等失效形式，因此碳纖維復合材料切削失效判別式可表示為[8]：

當纖維應力σ11≥0，纖維產生拉伸斷裂失效：

(2)

當纖維應力σ11<0，纖維產生壓縮屈曲失效：

(3)

當基體應力σ22≥0，基體產生拉伸斷裂失效：

(4)

當基體應力σ22<0，基體產生壓潰失效：

(5)

1.3 有限元分析模型建立

本文通過碳纖維復合材料單層布正交切削的加工方式，來研究纖維角度對碳纖維復合材料切削加工的影響，其加工示意圖如圖1所示，其中L和H分別為碳纖維復合材料工件的長度和高度，θ為纖維角度，γ和α分別為切削刀具的前角和后角，R為切削刀具的刀尖半徑，D為刀具切削深度.

圖1 切削加工示意圖

取切削刀具的前角γ=5°、后角α=6°和刀尖半徑，碳纖維復合材料工件的長度L=4 mm和高度H=1 mm，刀具切削深度D=0.2 mm，纖維角度θ分別為0°、45°、90°和135°.根據(jù)正交切削加工中的運動狀態(tài)及邊界約束條件，結合碳纖維復合材料單層布的材料屬性及其切削失效判斷準則，建立如圖2所示的碳纖維復合材料切削加工有限元分析模型.其中對碳纖維復合材料和切削刀具分別采用CPS4R四結點雙線性平面應力四邊形單元和CPS3三結點平面應力三角形單元進行網(wǎng)格劃分，并對碳纖維復合材料切削加工區(qū)域附近進行局部網(wǎng)格加密.由于碳纖維復合材料在切削加工過程時，通常采用底邊固定夾持，因此在有限元模型中對其底面采取全固定約束.由于刀具的剛度比碳纖維復合材料的剛度要大很多，且在分析中加工時間較短，因此假設在切削過程中刀具不會發(fā)生變形和磨損，將刀具設置為剛體，并對刀具施加80 mm/s的進給速度.

圖2 切削加工有限分析模型

2 仿真結果及分析

2.1 纖維角度對加工表面形貌的影響

利用建立的碳纖維復合材料切削加工有限分析模型，分別對纖維角度為0°、45°、90°和135°的碳纖維復合材料進行切削加工分析，得到如圖3所示的加工表面形貌.

由圖3可看出0°纖維方向碳纖維復合材料的切削表面質量最好； 90°纖維方向次之，表面有少量凹凸不平現(xiàn)象；其次為135°纖維方向，其表面有明顯的凹坑；表面質量最差的是45°纖維方向，表面不但有明顯的凹坑，且有毛刺產生.0°纖維方向碳纖維復合材料表面質量最好是因為刀具的切削方向與纖維方向平行，刀具對材料的作用力使纖維和樹脂基體發(fā)生剝離，且樹脂基體的強度較低，易被切削去除，使得出現(xiàn)較好的加工表面質量.90°纖維方向碳纖維在切削中，刀具切削方向與纖維方向垂直，由表1可知碳纖維復合材料單層布在垂直于纖維方向的強度要遠小于平行于纖維方向的強度，導致切削方向與纖維方向垂直時，碳纖維易于發(fā)生剪切失效，有部分纖維在剪切力和因剪切產生的拉伸力共同作用下，造成纖維拔出，使表面產生少量的凹凸不平.當纖維角度為135°時，刀具對碳纖維復合材料產生垂直于纖維方向的剪切力以及平行于纖維方向的拉伸力，垂直于纖維方向的力對基體和纖維產生切削作用，平行于纖維方向的力對纖維產生拉拔作用，使纖維被拔出，所以135°纖維方向碳纖維復合材料有明顯的凹坑出現(xiàn).45°纖維方向碳纖維復合材料加工表面質量最差，是因為刀具在切削45°纖維方向時，刀具前刀面與纖維的夾角為負值，因此纖維主要是在刀具的擠壓作用下發(fā)生彎曲，當達到纖維彎曲極限時發(fā)生斷裂，由于纖維彎曲點在刀尖下部，故會產生大量的凹坑，又由于擠壓彎曲斷裂易斷裂不徹底，所以導致在加工表面易出現(xiàn)較多的毛刺.

(a)0°纖維方向

(b)45°纖維方向

(c)90°纖維方向

(d)135°纖維方向

2.2 纖維角度對切屑形貌的影響

同樣利用建立的碳纖維復合材料切削加工有限分析模型，分別對纖維角度為0°、45°、90°和135°的碳纖維復合材料進行切削加工分析，得到如圖4所示的加工切屑形貌.

由圖4可看出，當纖維角度為0°時切屑為帶狀或連續(xù)帶狀， 主要是因為切削方向與纖維方向平行，碳纖維在其長度方向上的壓縮強度大，切削力不易把纖維壓潰，而是使纖維與基體脫離，從而形成帶狀或者連續(xù)帶狀的切屑.當纖維角度為45°時，切屑主要為小塊狀，這是因為這種加工中刀具為負前角切削，纖維主要是在刀具的擠壓作用下發(fā)生彎曲，纖維的斷裂主要為擠壓斷裂，且由于樹脂基體的強度較低，在擠壓力的作用下易產生壓潰失效，被切削下來的切屑中纖維易分離，所以45°方向時切屑形貌主要為小塊狀.當纖維角度為90°時，切屑為粉末狀，此時纖維方向與切削方向垂直，纖維在切削力的作用下發(fā)生剪切失效，且由于樹脂基體的強度很小，易在切削力擠壓作用下發(fā)生壓潰失效，因此90°方向時切屑形貌主要為粉末狀.纖維角度為135°時，切屑形貌主要為塊狀，但相對90°方向時的切屑，其切屑的體積相對較大，這是因為此種加工時纖維方向與切削方向成銳角，切削力易使纖維發(fā)生剪切失效，切削力沿平行于纖維方向的分力使纖維與樹脂基體發(fā)生剪切滑移，最終形成稍大的塊狀切屑.

(a)0°纖維方向

(b)45°纖維方向

(c)90°纖維方向

(d)135°纖維方向

2.3 纖維角度對進給切削力的影響

利用建立的碳纖維復合材料切削加工有限分析模型，分別對切削加工纖維角度為0°、45°、90°和135°的碳纖維復合材料的進給切削力進行分析，結果如圖5所示.

圖5 不同纖維方向碳纖維復合材料的進給力

由圖5可以看出，纖維角度在0°～90°范圍內，隨著纖維角度的增加，進給力先增加后減小，在45°附近達到最大；在90°～180°范圍內，隨著纖維角度的增加，進給力先減小后增大，在135°附近達到最小.此分析結果在纖維角度為90°～180°范圍內與參考文獻[9]中的試驗結果趨勢基本符合.當纖維角度為0°時，刀具的切削方向與纖維方向平行，被加工材料在刀具作用下與樹脂基體發(fā)生分離，且沿著刀具前刀面發(fā)生彎曲，被切斷時纖維與刀具前刀面的夾角接近0°；隨著纖維角度的增加，被加工材料中的纖維越來越不易被彎曲，被切斷時纖維與刀具前刀面的夾角為負前角，且角度越來越大，當纖維角度達到45°附近時達到最大，因此進給力在0°～45°范圍內隨纖維角度增大而增大；再隨著纖維角度的增大，由于纖維實際鋪層方向與刀具前刀面的夾角逐漸減小，且切削區(qū)域待加工材料對被加工材料的支撐力也隨之增大，被加工材料的彎曲變形減小，被切斷時纖維與刀具前刀面的夾角隨仍為負前角，但其角度逐漸減小，因此進給力在45°～90°范圍內隨纖維角度增大而減??；同理，在90°～135°范圍內，由于被加工材料在切斷時纖維與刀具前刀面的夾角逐漸減小，進給力也隨之減??；在135°～180°范圍內，由于被加工材料在刀具作用下逐漸易產生彎曲，在切斷時纖維與刀具前刀面的夾角逐漸增大，進給力也隨之增大.由于纖維角度在0°～90°范圍內，被加工材料在切斷時纖維與刀具前刀面的夾角基本為負前角，而在90°～180°范圍內，被加工材料在切斷時纖維與刀具前刀面的夾角基本為正前角，因此纖維角度在0°～90°范圍內的進給力整體上要大于纖維角度在90°～180°范圍內的進給力.

3 結論

通過建立碳纖維復合材料單層布正交切削加工的有限元分析模型，研究纖維角度對碳纖維復合材料切削加工表面形貌、切屑形貌和進給切削力的影響，得到如下主要結論：

(1)由于纖維角度為0°的碳纖維復合材料在切削中主要為纖維與基體間的剝離，由于樹脂基體強度較低，易獲得較好的表面質量；纖維角度為90°時，纖維和基體主要為剪切失效，且有部分纖維在剪切產生拉伸力的作用下產生拔出，其加工表面有少量的小凹坑存在；纖維角度為135°時，刀具對材料的切削可分為垂直于纖維的剪切力和平行于纖維的拉拔力，纖維易被拔出，表面有明顯的凹坑；纖維角度為45°時，纖維和基體主要在刀具的擠壓作用產生彎曲斷裂，其加工斷裂位置位于刀尖點的下部，在表面會產生大量的凹坑.因此纖維角度為0°的碳纖維復合材料切削加工表面質量最好，纖維角度為90°方向次之，其次為135°，45°方向最差；

(2)當纖維角度為0°時，切削中主要為纖維與基體脫離，且碳纖維不易壓潰，因此加工中主要形成帶狀或連續(xù)帶狀切屑；當纖維角度為45°時，加工中刀具為負前角切削，纖維主要是發(fā)生彎曲擠壓斷裂，其切屑主要為小塊狀；當纖維角度為90°時，纖維在切削力的作用下發(fā)生剪切失效，樹脂基體在切削力擠壓作用下發(fā)生壓潰失效，其切屑主要為粉末狀.纖維角度為135°時，加工時纖維與刀具前刀面成銳角，纖維易發(fā)生剪切失效，平行于纖維方向的切削分力使纖維與樹脂基體發(fā)生剪切滑移，形成稍大的塊狀切屑；

(3)纖維角度在0°～90°范圍內，隨著纖維角度的增加，進給力先增加后減小，在45°附近達到最大；在90°～180°范圍內，隨著纖維角度的增加，進給力先減小后增大，在135°附近達到最小.且纖維角度在0°～90°范圍內的進給力整體上要大于纖維角度在90°～180°范圍內的進給力.

[1]馬付建. 超聲輔助加工系統(tǒng)研發(fā)及其在復合材料加工中的應用[D]. 大連:大連理工大學, 2013.

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[3]SANTIUSTE C, SOLDANI X, MIGUéLEZ M H. Machining FEM model of long fiber composites for aeronautical components[J]. Composite Structures, 2010, 92(92):691-698.

[4]王斌. 基于有限元螺旋銑孔CFRP切削機理分析及制孔工藝優(yōu)化[D].天津: 天津大學，2013.

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[6]高峰, 矯桂瓊, 賈普榮,等. 復合材料層間增韌機理的有限元分析[J]. 機械強度, 2007, 29(1):63-66.

[7]杜龍. 基于歐拉—拉格朗日方法的復合材料機翼前緣鳥撞模擬[J]. 振動與沖擊, 2012, 31(7):137-141.

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[9]金枝,敏明, 高橋,等. CFRP(炭素繊維強化プラスチック)の切削機構に関する研究(第1報) : 極低速切削速度下における加工面生成機構[J]. 精密工學會誌, 1989, 55(8):1456-1461.

Influence Analysis of Fiber Angle on Cutting Performance for Carbon Fiber Reinforced Composite

MA Fujian, JIANG Yuchen, ZHANG Shengfang, LIU Yu, SHA Zhihua, SU Chong

(School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

A finite element analysis model of orthogonal cutting for the single layer of carbon fiber reinforced composite was established, and the cutting surface topography, chip shape and feeding force of the carbon fiber reinforced composite with difference fiber angle were studied. The influence law of fiber angle and the formed reason are analyzed. The analysis results show that the order of surface quality of carbon fiber reinforced composite after cutting is that with fiber angle of 0°, 90°, 135°, 45°, from high to low. The chip shapes of carbon fiber reinforced composite with fiber angle of 0°, 45°, 90° and 135° are band or continuous band, small block, powder and a little bigger block, respectively. The curve of feeding cutting force with the increase of fiber angle approximately looks like sine wave, and the maximum and minimum value is around the fiber angle of 45° and 135°.

carbon fiber reinforced composite; fiber angle; chip; surface topography; cutting force

1673- 9590(2016)06- 0037- 06

2016-04-25

國家高技術研究發(fā)展計劃資助項目(2015AA043402)；遼寧省自然科學基金資助項目(2014028019)；遼寧省教育廳優(yōu)秀人才計劃資助項目(LR2015012)；遼寧省教育廳高等學?？茖W研究計劃項目資助(L2014181)

馬付建(1982-)，男，講師，博士，主要從事難加工材料高效精密加工方面的研究

A

E- mail:mafj@djtu.edu.cn.