程耀天 張旭 謝朝雨 林旭東 王若瑾

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

文摘 為減小碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）加工時的面下?lián)p傷深度，創(chuàng)建了基于二維Hashin 準(zhǔn)則的宏觀連續(xù)動態(tài)切削CFRP有限元模型，分析了切削力和面下?lián)p傷深度與纖維方向角之間的變化趨勢，通過引入織構(gòu)刀具來降低切削力及面下?lián)p傷深度，比較了溝槽形織構(gòu)刀具、圓形織構(gòu)刀具、三角形織構(gòu)刀具切削CFRP 的切削力和面下?lián)p傷。結(jié)果表明，不同織構(gòu)刀具的切削力和面下?lián)p傷深度隨纖維方向角變化趨勢一致，均在0°時最小，90°達(dá)到最大值；織構(gòu)刀具相對傳統(tǒng)無織構(gòu)刀具切削CFRP時均降低了切削力和面下?lián)p傷深度，其中圓形織構(gòu)刀具降低程度最大；仿真模型經(jīng)實驗驗證準(zhǔn)確有效。

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐疲勞、吸能性強(qiáng)、各向異性等特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、軍事、建筑等領(lǐng)域［1-4］。因其具有非均勻性和各向異性，在切削加工中通常會產(chǎn)生分層、纖維脫落、基體開裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致復(fù)合材料的內(nèi)部出現(xiàn)面下?lián)p傷［5］，從而導(dǎo)致材料物理性能的降低，進(jìn)而減少使用壽命，目前很多學(xué)者在提高工件表面質(zhì)量方面進(jìn)行了大量的研究，但是如何減少面下?lián)p傷至今研究較少。

由于CFRP 材料角度多變，許多學(xué)者多采用4 種典型的纖維角度0°（平行于纖維方向）、45°（順纖維方向）、90°（垂直于纖維方向）和135°（逆纖維方向）來分析CFRP 材料損傷機(jī)理［6］。同時由于影響CFRP切削力、加工損傷因素較多，有些因素之間還會相互關(guān)聯(lián)，所以只依靠實驗來研究CFRP 切削加工成本太高，試驗數(shù)量較大。由于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近些年很多學(xué)者開始用有限元仿真來模擬CFRP 的切削過程，大大減少了時間和成本［7］。GAO等［8］通過實驗發(fā)現(xiàn)了切削不同角度時CFRP 損傷機(jī)制。AROLA等［9］用有限元方法等將CFRP 等效為均質(zhì)體模擬仿真了加工各纖維角度時的切削力，并且成功地進(jìn)行了實驗驗證。路冬等［10］采用Hashin-Damage 失效準(zhǔn)則，建立了連續(xù)動態(tài)切削CFRP 的有限元仿真模型，研究了切削不同纖維方向角的CFRP 時亞表面損傷深度變化規(guī)律。陳德雄等［11］基于ABAQUS 創(chuàng)建了CFRP宏觀動態(tài)切削仿真模型，綜合考慮了加工參數(shù)對CFRP 亞表面損傷深度的影響規(guī)律。殷俊偉等［12］仿真分析了纖維方向、切削參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)對切削CFRP 單向板面下?lián)p傷的影響，指出了產(chǎn)生面下?lián)p傷的主要原因是由于過大的切削力造成基體的破壞進(jìn)而擴(kuò)展產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致材料壽命的降低。上述學(xué)者僅僅分析了CFRP 面下?lián)p傷形成機(jī)制和影響因素，通過改變工藝參數(shù)來降低面下?lián)p傷深度，沒有考慮不同刀具輪廓對切削力和面下?lián)p傷深度的影響。而微織構(gòu)刀具加工時可以減小刀具與工件的接觸面積，從而降低切削力［13-14］，所以將微織構(gòu)刀具用于加工各種角度CFRP時理論上均會減小面下?lián)p傷。

本文基于ABAQUS 仿真軟件采用Hashin 失效準(zhǔn)則建立了CFRP 單向板宏觀動態(tài)切削仿真模型，用不同輪廓的微織構(gòu)刀具進(jìn)行切削仿真，預(yù)測出最大程度上減小切削力和CFRP面下?lián)p傷的織構(gòu)刀具。

1 建立CFRP切削仿真模型

1.1 材料屬性

本文采用材料的是單向碳纖維環(huán)氧樹脂材料，性能如表1所示［15］。

表1 CFRP材料性能參數(shù)Tab.1 Material properties of CFRP

1.2 材料損傷模型

國內(nèi)外學(xué)者做了大量的實驗驗證了Hashin 失效準(zhǔn)則對于CFRP材料損傷破壞的準(zhǔn)確性［9-10］。本文切削宏觀CFRP時采用二維Hashin失效準(zhǔn)則，主要考慮纖維拉伸失效、纖維壓縮失效、基體拉伸失效和基體壓縮失效四種失效模式，判定失效公式見表2［11］。

表2 CFRP的 Hashin失效準(zhǔn)則1）Tab.2 Hashin invalidation criteria for CFRP

1.3 刀具參數(shù)

刀具的材料選取PCD 銑刀，與CFRP的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3，泊松比ν=0.2，彈性模量E=0.6 GPa。織構(gòu)刀具是用激光技術(shù)在靠近刀具主切削刃的前刀面上加工出一定形狀的刀具，按照刀具輪廓分為：無織構(gòu)刀具、溝槽形織構(gòu)刀具、圓形織構(gòu)刀具和三角形織構(gòu)刀具［16-18］。刀具的前角γ和后角α均為10°，刀尖鈍圓半徑為0.01 mm，4種刀具輪廓見圖1。3種織構(gòu)刀具織構(gòu)寬度W=10 μm，深度D=10 μm，間距L=20 μm，織構(gòu)到刀尖距離E=10 μm。

圖1 刀具輪廓示意圖Fig.1 Cutter profile diagram

1.4 建立仿真模型

首先在ABAQUS 軟件中要建立工件和刀具的幾何模型，然后分別賦予材料屬性，通過assign material orientation 命令定義不同的纖維方向角θ，通過裝配得到切削CFRP 二維仿真模型，如圖2 所示［12］。對工件劃分網(wǎng)格的方法為CPS4R，工件尺寸為1 mm ×2 mm，最小網(wǎng)格尺寸為5 μm，共劃分1.6×103個單元。由于不考慮刀具磨損和溫度場，所以將刀具設(shè)置為剛體，設(shè)置參考點綁定刀具使其可以控制刀具的運動。由于本文只研究織構(gòu)輪廓對切削CFRP 面下?lián)p傷的影響，所以切削速度（v=6 m/min）和切削深度（ap=0.15 mm）均不變。

圖2 二維仿真模型Fig.2 Two-dimensional simulation model

1.5 實驗驗證

為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，仿真模型所用的參數(shù)和文獻(xiàn)［19］實驗參數(shù)一致：切削速度v=6 m/min，背吃刀量ap=0.02 mm，纖維方向角θ=45°。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比如圖3 所示。實驗所得的主切削力平均值為44.4 N/mm，仿真平均值為40.07 N/mm，誤差為9.7%，仿真值比實際值偏小是正?，F(xiàn)象，這是由于仿真時不考慮刀具的磨損所造成的，因此證明了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖3 實驗與仿真主切削力對比Fig.3 Comparison of experimental and simulated main cutting forces

2 結(jié)果與討論

2.1 切削力隨纖維方向角變化規(guī)律

定義纖維方向角（θ）為指向未加工區(qū)域的碳纖維排列方向與刀具進(jìn)給方向之間的夾角［20］。為提高效率，仿真時選取4 個典型的角度0°、45°、90°和135°，如圖4所示通過仿真得到的普通無織構(gòu)刀具切削力隨纖維角度θ的變化規(guī)律圖。

圖4 切削力隨纖維方向角θ的變化規(guī)律Fig.4 Cutting force changing with the fiber direction Angle θ

從圖4 可見切削力隨θ先增大后減小，0°時切削力最小，在90°時達(dá)到最大。這是由于CFRP在x方向的剪切強(qiáng)度（79 MPa）低于拉伸強(qiáng)度（1.950 GPa）和壓縮強(qiáng)度（1.480 GPa），并且碳纖維是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中最難切削的部分，它消耗了大量的切削力。切削90°CFRP 的切屑不同于切削其他角度時剪切失效，是和刀具的前刀面相接觸，直至刀具前刀面將其拉伸或壓縮失效，在x方向上產(chǎn)生很大的抵抗力。切削90°CFRP時的仿真示意圖見圖5。

圖5 90°CFRP切削仿真圖Fig.5 Simulation diagram of 90°CFRP cutting

2.2 切削力隨織構(gòu)形貌變化規(guī)律

為了研究切削力隨不同織構(gòu)形貌的變化規(guī)律，測試3 種織構(gòu)刀具在同一切削參數(shù)下切削不同角度CFRP 的切削力，與無微織構(gòu)的傳統(tǒng)刀具進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 織構(gòu)形貌對切削力的影響Fig.6 Influence of texture morphology on cutting force

顯然，織構(gòu)刀具切削時產(chǎn)生的切削力在均不同程度上小于傳統(tǒng)無織構(gòu)刀具，這是由于織構(gòu)刀具與已加工失效的切屑接觸面積減少，改善刀具與切屑的摩擦狀況，同時織構(gòu)刀具使前刀面存在多個切削刃同時進(jìn)行切削，也可以對與前刀面接觸的切屑進(jìn)行二次加工，導(dǎo)致切屑崩碎，進(jìn)而減小了切削力。圓形織構(gòu)刀具相比溝槽形織構(gòu)刀具和三角形織構(gòu)刀具形成的切削刃刀尖圓弧半徑更小，前刀面上的切削刃更加鋒利，因此圓形織構(gòu)刀具加工CFRP 時的切削力均小于其他織構(gòu)刀具。

2.3 面下?lián)p傷隨纖維方向角變化規(guī)律

在切削CFRP 過程中，材料產(chǎn)生面下?lián)p傷很大程度上是由于外力作用導(dǎo)致纖維拔拉、界面脫粘、基體開裂。其中由基體拉伸失效造成的面下?lián)p傷表現(xiàn)得最為嚴(yán)重［12］，固本文采用ABAQUS 中的HSNMTCRT（Hashin＇s matrix tensile damage initiation criterion）來定義面下?lián)p傷，用Hashin-damage 進(jìn)行判定，當(dāng)該值大于1 時就會造成面下?lián)p傷。定義dH為材料面下?lián)p傷深度，dH是指與刀具后刀面相對的已加工表面到失效區(qū)域間的最遠(yuǎn)垂直距離［11］。

圖7 是無織構(gòu)刀具切削不同纖維方向角時的面下?lián)p傷仿真結(jié)果?？梢姴煌w維方向的面下?lián)p傷與纖維方向基本一致并向刀具進(jìn)給方向擴(kuò)展。隨纖維角度增加，面下?lián)p傷深度先增加后減小，dH值在纖維角度取0°時最小為53 μm，90°達(dá)到最大為138 μm，dH值隨纖維方向角的變化趨勢與切削力的變化趨勢一致，可以得出面下?lián)p傷深度主要受切削力的控制。

圖7 不同纖維方向角的面下?lián)p傷深度Fig.7 Subsurface damage at different fiber orientation angles

2.4 面下?lián)p傷隨織構(gòu)形貌變化規(guī)律

為了研究面下?lián)p傷深度隨刀具織構(gòu)形貌的變化規(guī)律，在相同切削參數(shù)條件下使用3種不同織構(gòu)刀具對4 種纖維方向角的CFRP 進(jìn)行切削并測量其面下?lián)p傷深度，如圖8所示。

圖8 不同織構(gòu)形貌加工CFRP的面下?lián)p傷深度Fig.8 Subsurface damage in cutting CFRP with different surface micro-textured tool

和傳統(tǒng)無織構(gòu)刀具切削結(jié)果對比結(jié)果如圖9 所示。發(fā)現(xiàn)相同條件下3 種織構(gòu)刀具加工不同纖維方向角的CFRP 時均比傳統(tǒng)刀具加工的面下?lián)p傷深度小，并且面下?lián)p傷深度隨織構(gòu)形貌的變化規(guī)律與切削力變化規(guī)律基本一致，進(jìn)一步驗證了面下?lián)p傷深度受切削力的控制。

圖9 織構(gòu)形貌對CFRP面下?lián)p傷深度的影響Fig.9 Effect of texture morphology on damage depth under CFRP plane

3 結(jié)論

建立了CFRP宏觀連續(xù)動態(tài)切削的面下?lián)p傷仿真模型，并通過實驗驗證。不同織構(gòu)刀具切削CFRP時的切削力和面下?lián)p傷深度隨纖維方向角變化的規(guī)律如下：

（1）切削力隨纖維方向角先增大后減小，在90°時達(dá)到最大值，面下?lián)p傷深度受切削力的控制，切削力越大面下?lián)p傷深度越大；

（2）相同條件下，切削不同纖維方向角的CFRP時，與傳統(tǒng)無織構(gòu)刀具相比，織構(gòu)刀具對切屑二次加工，顯著降低了切削力和面下?lián)p傷深度；

（3）圓形織構(gòu)刀具相對溝槽形和三角形織構(gòu)刀具前刀面切削刃刀尖圓弧半徑更小，對切削力和面下?lián)p傷深度的減小程度更大。