CFRP切削過程的宏觀切屑及加工表面的形成行為研究

陳 蓉，吳安如，李樹健

（1.湖南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，湘潭 411104；2.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410081；3.湖南科技大學(xué) 機電學(xué)院，湘潭 411201）

0 前言

由纖維增強體和樹脂基體復(fù)合而成的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP），具有輕質(zhì)、高強、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計性強等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工國防等尖端領(lǐng)域［1-4］.如飛機機身、機翼、機動車車頭罩、導(dǎo)流罩等關(guān)鍵部位都大量采用了CFRP結(jié)構(gòu)件.

CFRP構(gòu)件經(jīng)固化后，為滿足構(gòu)件之間的連接、裝配等工藝條件，往往還需要進行鉆孔、切邊等機械加工工序［5，6］.然而，CFRP 是一種非均質(zhì)、各向異性材料，具有層間性能相對薄弱的特點.在切削加工過程中，易產(chǎn)生分層、毛刺、撕裂等加工缺陷［7-10］，嚴(yán)重影響了CFRP結(jié)構(gòu)件的裝配質(zhì)量和服役性能.考慮CFRP結(jié)構(gòu)件服役環(huán)境的苛刻性和復(fù)雜性，尤其在高端應(yīng)用領(lǐng)域，對CFRP結(jié)構(gòu)件及其裝配件整體性能的要求越來越高，而類似上述的CFRP加工質(zhì)量問題依舊層出不窮，大大增加了CFRP結(jié)構(gòu)件的制造成本，同時為后續(xù)結(jié)構(gòu)件的安全服役埋下了隱患，成為制約CFRP結(jié)構(gòu)件應(yīng)用的嚴(yán)峻挑戰(zhàn).

CFRP切削過程是一個材料不斷變形破壞進而形成宏觀切屑并脫離加工環(huán)境的過程，在此過程中伴隨著加工表面的形成，相關(guān)加工缺陷的萌生和擴展也出現(xiàn)在此階段.因此，厘清CFRP切削過程的宏觀切屑及加工表面的形成行為，是進一步探索CFRP高品質(zhì)加工方法的前提.本文針對CFRP的切削加工問題，以CFRP切削加工時的四種典型纖維方向角為切入點，采用數(shù)值建模仿真和實驗研究相結(jié)合的方法，研究CFRP切削過程的宏觀切屑及加工表面的形成行為，為發(fā)展CFRP高品質(zhì)切削加工方法提供理論支撐.

1 CFRP切削理論建?；A(chǔ)

1.1 CFRP的宏觀等效均質(zhì)模型

為直觀描述由纖維和樹脂組成的CFRP宏觀切屑的形成及去除行為，本文采用CFRP宏觀等效均質(zhì)模型進行建模仿真.即在材料結(jié)構(gòu)上，將由纖維和樹脂組成的單層復(fù)合材料看作為正交各向異性均質(zhì)材料.當(dāng)外界切削載荷高于CFRP材料本身的強度極限時，損傷發(fā)生并導(dǎo)致剛度退化，CFRP的等效均質(zhì)本構(gòu)關(guān)系可描述為：［11］

其中，σij和εij分別表示CFRP材料在i-j平面內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變（i，j=1，2，3），Cij表示一個6×6對稱損傷矩陣，其非零項可表示為：

其中，Ei表示i方向的楊氏模量（i=1，2，3），Gij代表i-j面內(nèi)的剪切模量（i，j=1，2，3），νij為泊松比（i，j=1，2，3）.因子Smt和Smc用于定義樹脂基體的剪切模量變化，分別控制基體拉伸破壞和壓縮破壞引起的剪切剛度降低，在本研究中Smt和Smc的特征值分別取0.9和0.5.df和dm分別表示整體纖維和基體的損傷變量，Γ為常數(shù)，上述三個參量可由式（3）定義：

其中，dft和dfc分別表示纖維的拉伸損傷變量和壓縮損傷變量，dmt和dmc分別表示樹脂的拉伸損傷變量和壓縮損傷變量.本研究所使用的宏觀等效均質(zhì)CFRP材料性能參數(shù)如表1所示.

表1 CFRP的材料性能參數(shù)［11］

1.2 CFRP宏觀切削失效準(zhǔn)則

采用3D Hashin失效準(zhǔn)則作為CFRP宏觀切削的失效判據(jù)，包括四種模式：（1）纖維受拉模式；（2）纖維受壓模式；（3）基體受拉模式；（4）基體受壓模式.3D Hashin失效準(zhǔn)則的四種失效判據(jù)具體可表示為：

（1）纖維受拉模式（σ11≥ 0）

（2）纖維受壓模式（σ11＜0）

（3）基體受拉模式（σ22+σ33＞ 0）

（4）基體受壓模式（σ22+σ33≤ 0）

其中，XT(C)和YT(C)分別表示纖維和樹脂所能承受的最大拉伸強度或壓縮強度表示CFRP材料所能承受的最大剪切強度.在本文中，CFRP損傷起始的材料參數(shù)如表2所示.

表2 CFRP損傷起始的材料參數(shù)［11］

1.3 CFRP宏觀切削有限元建模

為考慮仿真結(jié)果的真實性和計算機運行的效率，需要進行如下假設(shè)：（1）不考慮材料的微觀分布和界面相的存在，假設(shè)每層CFRP材料中的纖維為均勻分布狀態(tài)；（2）不考慮刀具的變形和磨損，假設(shè)刀具為剛體；（3）不考慮切削熱及其與工件、刀具和環(huán)境的熱傳導(dǎo)，忽略切削熱對加工過程的影響.

采用層壓法建立CFRP層合板的幾何模型，單層CFRP材料厚度為6 μm，鋪層數(shù)量為6層，各層間的結(jié)合界面同樣設(shè)置零厚度內(nèi)聚力單元.針對CFRP層合板的纖維鋪設(shè)方向，在材料屬性模塊進行纖維方向的定義.與微觀切削有限元建模類似，工件的底部和背部施加完全固定約束.網(wǎng)格類型為C3D8R，采用結(jié)構(gòu)四邊形生成方法生成單元網(wǎng)格，每個單元尺寸為5 μm.刀體寬度大于CFRP層合板厚度，本研究中設(shè)置為40 μm.刀具前角為25°［12-13］，后角為10°，刀尖圓角半徑0.2 mm，刀具單元類型也為C3D8R.刀具與工件的接觸亦為通用接觸，其摩擦系數(shù)為0.3.有限元模擬采用Abaqus/Expicit分析模塊，動態(tài)時間增量步長為4.5e-4s，為準(zhǔn)確觀察切屑宏觀形態(tài)，并考慮模型精度和計算機計算效率，將切削深度設(shè)置為30 μm，切削長度值設(shè)為2 mm［13］.其原因為，當(dāng)切削長度達(dá)到2 mm時可進入穩(wěn)定切削狀態(tài)，確保可形成完整的宏觀切屑.本文設(shè)置四種典型纖維方向角（0°、45°、90°、135°）的情況來研究宏觀切屑的形成及相應(yīng)的加工表面表征.CFRP層合板宏觀切削三維幾何模型及二維剖面邊界條件設(shè)定分別如圖1、圖2所示.

圖1 CFRP層合板宏觀切削三維幾何模型

圖2 CFRP宏觀切削的邊界條件設(shè)定

2 結(jié)果與分析

圖3展示的是不同纖維方向角條件下的宏觀切屑形成過程的有限元仿真結(jié)果.在纖維方向角為0°時，宏觀切屑形態(tài)主要表現(xiàn)為長條狀的連續(xù)切屑，其形成主要產(chǎn)生于CFRP層間的斷裂破壞，所形成的切屑并未分離成片層狀的彌散化長碎片，而切屑內(nèi)部的層間結(jié)合并未發(fā)生完全失效.此時，抵抗刀具的切削載荷主要由CFRP層與層之間的結(jié)合力和小部分的纖維軸向抗力承擔(dān)，因而CFRP宏觀斷裂并形成條狀切屑主要發(fā)生在遠(yuǎn)離刀具接觸區(qū)域的切屑根部.

當(dāng)纖維方向角增加到45°時，由仿真結(jié)果可以明顯看出，切屑尺寸在明顯減小，切屑形態(tài)變?yōu)檩^大的片狀切屑，且切屑內(nèi)部層間已經(jīng)完成失效，片狀切屑成分離狀態(tài).此時，CFRP的內(nèi)部材料抗力除要抵抗層間破壞外，還要承擔(dān)纖維徑向的部分分力作用，造成多數(shù)纖維被斜向切斷，進而形成較纖維方向角為0°時的較短切屑.此外，在與刀尖直接接觸的材料區(qū)域，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致已加工表面沿纖維方向產(chǎn)生開裂的傾向增加，如圖3中區(qū)域Ⅰ.

隨著纖維方向角的增加，宏觀切屑的尺寸繼續(xù)減小，從纖維方向角為90°時的仿真結(jié)果可以看出，切屑總體上呈相對均勻的粒狀切屑狀態(tài)，材料的斷裂較為齊整，這主要是因為CFRP中纖維束的徑向抗力幾乎全部參與抵抗刀具的切削載荷，一方面造成了整體上需要較高的切削載荷來破壞待加工材料，另一方面，一旦纖維承受的徑向載荷高于其徑向斷裂抗力，則會出現(xiàn)相對整齊的纖維斷裂.該種情況下，由于纖維的斷裂傾向相對一致，纖維斷裂后應(yīng)力及時釋放，因而此時的應(yīng)力集中現(xiàn)象較少.

然而，當(dāng)纖維方向角達(dá)到135°時，此時為完全逆向（逆纖維鋪設(shè)方向）切削，一方面與前刀面接觸的CFRP內(nèi)部纖維發(fā)生徑向彎曲折斷，同時層間界面發(fā)生剪切破壞，最終該接觸區(qū)域形成較小的粒狀切屑.另一方面，由于刀尖對材料的擠壓作用極易誘發(fā)較大的應(yīng)力集中，如圖中區(qū)域Ⅱ，致使裂紋向面下擴展的程度急劇增加，一旦裂紋擴展到一定程度，則會進一步形成以區(qū)域Ⅱ為起點的較大潛在塊狀切屑.

圖3 不同纖維方向角條件下的宏觀切屑有限元仿真結(jié)果

CFRP切削的宏觀模擬仿真得到的加工表面形貌如圖4所示.當(dāng)纖維方向角為0°時，切屑的去除主要受材料層間界面斷裂的影響，因而已加工表面相對平整，但由于刀尖及后刀面的向下擠壓作用，導(dǎo)致部分纖維發(fā)生翹曲回彈，且在已加工表面存在帶狀纖維碎屑的殘留.隨著纖維方向角的增加，斷裂的纖維長度開始減小，越來越多的細(xì)小纖維碎屑形成并殘留在加工表面.從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)纖維方向角為45°和90°時，加工表面相對整齊.但當(dāng)纖維方向角為135°時，已加工表面開始出現(xiàn)明顯不規(guī)則分布的凹坑現(xiàn)象，加工表面質(zhì)量相對較差.

圖4 宏觀模擬仿真獲得的加工表面形貌

針對CFRP這種受纖維鋪設(shè)方向影響較大的各向異性復(fù)合材料，在其切削加工時一般認(rèn)為，如果纖維方向角小于90°，可視為沿纖維方向切削，即順向切削；如果纖維方向角大于90°，則可視為沿纖維相反方向切削，即逆向切削.因此，在逆向切削CFRP時，在刀具擠壓和較高材料界面開裂傾向的雙重影響下，材料沿纖維方向的開裂傾向非常明顯，最終形成相對較差的加工表面.

在宏觀模擬仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用三維納米系統(tǒng)對CFRP材料去除后的加工表面進行表征，相關(guān)信息如圖5、圖6所示.從圖5、圖6可以看出在纖維方向角為0°和135°時，已加工表面的粗糙度值較大，表面加工質(zhì)量相對較差.特別是當(dāng)纖維方向角為135°時，表面粗糙度高達(dá)4.2 μm.而當(dāng)纖維方向角為45°和90°時，已加工表面粗糙度相對較低.例如，在纖維方向角為90°的情況下，已加工表面的粗糙度值僅為1.3 μm左右.

圖5 CFRP加工表面的粗糙度

結(jié)合三維顯微形貌，在纖維方向角為0°的情況下，加工表面存在許多條狀凹坑，這主要是由于切削過程中纖維剝落造成的.此外，部分未完全剝離的纖維殘留在已加工表面，形成翹曲回彈，進而對已加工表面的整體粗糙度產(chǎn)生不良影響.但對于纖維方向角為135°時的情況，由于切削過程中基體損傷大，逆向切削造成的纖維拔出，導(dǎo)致一些較深凹坑和裂紋的形成，而未及時切斷的纖維則繼續(xù)保留在已加工表面，進一步惡化了已加工表面的加工質(zhì)量.

圖6 CFRP加工表面的三維形貌

3 結(jié)論

（1）本文將由纖維和樹脂組成的單層CFRP看作為正交各向異性均質(zhì)材料，建立了CFRP正交切削的三維宏觀等效均質(zhì)有限元仿真模型.

（2）當(dāng)纖維方向角為0°時，CFRP沿纖維方向被去除，宏觀切屑呈長條狀；當(dāng)纖維方向角為45°時，CFRP沿纖維方向斷裂，形成塊狀碎屑；當(dāng)纖維方向角為90°時，沿纖維方向的裂紋出現(xiàn)在加工表面以下，裂紋擴展到材料邊緣時形成粒狀切屑；當(dāng)纖維方向角為135°時，刀具刃口下方產(chǎn)生失效裂紋，隨著刀具進給，部分材料被前刀面擠壓成粒狀切屑，而隨著裂紋逐漸擴展，大塊狀切屑的形成傾向增加.

（3）在本研究條件下，當(dāng)纖維方向角在45°和90°時，可獲得較好的表面加工質(zhì)量，而在0°和135°時，CFRP的加工表面質(zhì)量較差.