吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械與土木工程學(xué)院 佟沐霖 于振文 張亞杰 常影 劉雨婕

前言

CFRP在應(yīng)用中最常用的加工方式是鉆削和銑削，復(fù)合材料的組成部分有基體和增強(qiáng)材料，CFRP是由樹脂基基體和纖維增強(qiáng)材料采用不同鋪層方式復(fù)合而成，因?yàn)槠涮厥獾慕M成方式，CFRP的性能是各向異性，致使其在加工過(guò)程中每個(gè)方向呈現(xiàn)不同特性[1]。CFRP在切削加工過(guò)程中最容易出現(xiàn)的問(wèn)題就是毛刺、分層、撕裂 ，加工CFRP的刀具以及材料板價(jià)格高 ，在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量切削粉末，對(duì)環(huán)境影響較大，因此利用有限元技術(shù)來(lái)研究CFRP切削加工是十分必要的。

1 運(yùn)用ABAQUS研究CFRP切削現(xiàn)狀

國(guó)外學(xué)者OzdenIsbilir等人基于有限元仿真軟件ABAQUS，建立了碳纖維復(fù)合材料的三維切削模型，在此基礎(chǔ)上提出了缺陷綜合模型，通過(guò)仿真模擬分析研究不同幾何參數(shù)的刀具對(duì)切削加工碳纖維復(fù)合材料表面質(zhì)量的影響規(guī)律[2]。

中北大學(xué)學(xué)者運(yùn)用ABAQUS有限元仿真軟件對(duì)鉆頭鉆削CFRP板的過(guò)程進(jìn)行了模擬[3]。 工藝參數(shù)選擇主軸轉(zhuǎn)速為1200rpm、1500rpm、1700rpm， 進(jìn)給量為2mm/s； 主軸轉(zhuǎn)速為2000rpm、2200rpm， 進(jìn)給量為3mm/s； 主軸轉(zhuǎn)速為2700rpm、3000rpm、3200rpm，進(jìn)給量4mm/s。在此切削參數(shù)下得到了鉆削過(guò)程中CFRP板的應(yīng)力變化圖以及鋪層纖維的拉伸剪切損傷情況等。

中北大學(xué)利用ABAQUS軟件建立了纖維角度為0°、45°、90°、135°時(shí)的二維切削有限元模型，得到了不同纖維角度和不同切削深度對(duì)CFRP切削加工過(guò)程中應(yīng)力的影響情況，擬合了最大應(yīng)力隨纖維角度的變化曲線，如圖1所示[4]。

圖1最大應(yīng)力隨纖維角度的變化曲線

東華大學(xué)采用ABAQUS軟件對(duì)三維雙軸向經(jīng)編針織CFRP進(jìn)行了鉆削過(guò)程的仿真，得到了在切削參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速為500rpm，進(jìn)給速度為110mm/min時(shí)PCD鉆頭的軸向力的值，如圖2所示。

圖2軸向力變化曲線圖

南京航空航天大學(xué)采用ABAQUS仿真軟件自定義了CFRP力學(xué)本構(gòu)模型，并建立了CFRP加工過(guò)程的有限元仿真模型，分析了不同切削參數(shù)下大孔徑鉆削過(guò)程中軸向力、扭矩和分層情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比軸向力及扭矩最大相對(duì)誤差分別為15%、19%。

南昌航空大學(xué)熊威龍等應(yīng)用有限仿真軟件ABAQUS首先建立了碳纖維復(fù)合材料的二維切削模型，接著對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真，模擬結(jié)果得到了切削力與背吃刀量的變化對(duì)加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：背吃刀量值增加，切屑的變形比較明顯。當(dāng)背吃刀量值為0.6mm時(shí)， 可以獲得較好的加工表面 ，此時(shí)出現(xiàn)的毛刺最少 。相比其他數(shù)值的背吃刀量加工的工件 ，表面出現(xiàn)了凹凸不平 、不光滑等現(xiàn)象 ，不能獲得較好的表面質(zhì)量[5]。

秦旭達(dá)等人應(yīng)用有限元仿真軟件ABAQUS建立了二維切削的有限元仿真模型 ， 針對(duì)不同纖維方向的CFRP進(jìn)行了切削加工過(guò)程的仿真模擬，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得到了不同纖維方向下加工CFRP的表面質(zhì)量。以纖維鋪層為0°、45°、90°、135°為例，分析切削加工中應(yīng)力的變化規(guī)律 ，以及碳纖維復(fù)合材料切削過(guò)程中對(duì)表面質(zhì)量的影響。通過(guò)模擬仿真結(jié)果分析如下：纖維的鋪層不同，在加工過(guò)程中所受應(yīng)力的大小也就不同 ，應(yīng)力的大小直接影響了加工CFRP的表面質(zhì)量 ， 應(yīng)力值大得到的加工表面質(zhì)量較差，應(yīng)力值小得到的表面較光滑。且通過(guò)對(duì)單向纖維切削加工過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)纖維鋪層為135°時(shí)，加工的表面存在很多缺陷 ，但在纖維鋪層角度為0° 、45° 和90 ° 時(shí) ，切削加工碳纖維復(fù)合材料的表面較光滑、無(wú)毛刺[6]。

2 運(yùn)用DEFORM研究CFRP切削現(xiàn)狀

江蘇大學(xué)應(yīng)用DEFORM有限元仿真軟件進(jìn)行CFRP銑削過(guò)程的仿真[7]。 首先選用Pro/E對(duì)CFRP板和刀具進(jìn)行建模 ，CFRP板建立為長(zhǎng)方體模型 ，刀具采用立式四齒銑刀 ，刀具參數(shù)為 ：齒數(shù)4 、前角0°、直徑5mm、螺旋角30° 。 切削參數(shù)的選擇 ：刀具材料為PCD，銑削用量為銑削深度0.2mm，進(jìn)給量0.02mm/r，徑向切深0.3mm， 主軸轉(zhuǎn)速為8000rpm、9000rpm、10000rpm、11000rpm、12000rpm。通過(guò)仿真模擬得到各參數(shù)對(duì)銑削力 、銑削溫度、工件表面應(yīng)力、刀具磨損、加工質(zhì)量的影響[7]。

大連交通大學(xué)運(yùn)用DEFORM-3D有限元軟件對(duì)麻花鉆鉆削CFRP板過(guò)程進(jìn)行仿真 ，得到了鉆孔過(guò)程中切削溫度 、軸向力及扭矩的變化規(guī)律，如圖3所示。并針對(duì)不同的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度進(jìn)行了仿真分析， 得到了不同切削參數(shù)下鉆削碳纖維復(fù)合板的軸向力和扭矩的變化規(guī)律 ，通過(guò)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同切削參數(shù)下得到的軸向力和扭矩的變化規(guī)律是相同的。 針對(duì)單一因素分析，主軸轉(zhuǎn)速越高 ，軸向力越?。辉谥鬏S轉(zhuǎn)速一定范圍內(nèi)，進(jìn)給速度對(duì)軸向力的影響呈一致性； 軸向力隨進(jìn)給速度的變化呈平緩趨勢(shì)[8]。

圖3切削溫度的仿真圖

西北工業(yè)大學(xué)的學(xué)者針對(duì)碳纖維復(fù)合材料板 ， 應(yīng)用Deform-3D仿真軟件進(jìn)行鉆削過(guò)程的仿真研究，得出了鉆削過(guò)程中切削力和扭矩的變化規(guī)律[9]。

哈理工大學(xué)應(yīng)用DEFORM進(jìn)行PCD刀具鉆削CFRP板過(guò)程的仿真模擬，模擬碳纖維復(fù)合材料的鉆削過(guò)程 ，得到主軸轉(zhuǎn)速為3000rpm且進(jìn)給速度為210mm/min的切削力和扭矩的變化曲線，進(jìn)而得到鉆削力的變化規(guī)律[10]。

3 總結(jié)

為了降低成本且有效提高碳纖維復(fù)合材料切削加工的表面質(zhì)量，運(yùn)用有限元技術(shù)研究CFRP的切削加工已經(jīng)越來(lái)越廣泛，目前應(yīng)用較多的軟件是ABAQUS和DEFORM。ABAQUS在研究纖維方向?qū)η邢髁σ约凹庸け砻尜|(zhì)量的影響比較有優(yōu)勢(shì) ，DEFORM在分析切削過(guò)程中切削力及切削溫度等方面比較好 。 總之，利用有限元技術(shù)來(lái)研究復(fù)合材料的切削是此領(lǐng)域的趨勢(shì)。