有限元技術應用于碳纖維復合材料切削加工研究現(xiàn)狀

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

前言

CFRP在應用中最常用的加工方式是鉆削和銑削，復合材料的組成部分有基體和增強材料，CFRP是由樹脂基基體和纖維增強材料采用不同鋪層方式復合而成，因為其特殊的組成方式，CFRP的性能是各向異性，致使其在加工過程中每個方向呈現(xiàn)不同特性[1]。CFRP在切削加工過程中最容易出現(xiàn)的問題就是毛刺、分層、撕裂 ，加工CFRP的刀具以及材料板價格高 ，在加工過程中會產(chǎn)生大量切削粉末，對環(huán)境影響較大，因此利用有限元技術來研究CFRP切削加工是十分必要的。

1 運用ABAQUS研究CFRP切削現(xiàn)狀

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

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

中北大學利用ABAQUS軟件建立了纖維角度為0°、45°、90°、135°時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CFRP切削加工過程中應力的影響情況，擬合了最大應力隨纖維角度的變化曲線，如圖1所示[4]。

圖1最大應力隨纖維角度的變化曲線

東華大學采用ABAQUS軟件對三維雙軸向經(jīng)編針織CFRP進行了鉆削過程的仿真，得到了在切削參數(shù)主軸轉速為500rpm，進給速度為110mm/min時PCD鉆頭的軸向力的值，如圖2所示。

圖2軸向力變化曲線圖

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

南昌航空大學熊威龍等應用有限仿真軟件ABAQUS首先建立了碳纖維復合材料的二維切削模型，接著對加工過程進行了有限元仿真，模擬結果得到了切削力與背吃刀量的變化對加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律。結果表明：背吃刀量值增加，切屑的變形比較明顯。當背吃刀量值為0.6mm時， 可以獲得較好的加工表面 ，此時出現(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]。

秦旭達等人應用有限元仿真軟件ABAQUS建立了二維切削的有限元仿真模型 ， 針對不同纖維方向的CFRP進行了切削加工過程的仿真模擬，對仿真結果進行分析，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，分析切削加工中應力的變化規(guī)律 ，以及碳纖維復合材料切削過程中對表面質(zhì)量的影響。通過模擬仿真結果分析如下：纖維的鋪層不同，在加工過程中所受應力的大小也就不同 ，應力的大小直接影響了加工CFRP的表面質(zhì)量 ， 應力值大得到的加工表面質(zhì)量較差，應力值小得到的表面較光滑。且通過對單向纖維切削加工過程分析發(fā)現(xiàn)纖維鋪層為135°時，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 ，切削加工碳纖維復合材料的表面較光滑、無毛刺[6]。

2 運用DEFORM研究CFRP切削現(xiàn)狀

江蘇大學應用DEFORM有限元仿真軟件進行CFRP銑削過程的仿真[7]。 首先選用Pro/E對CFRP板和刀具進行建模 ，CFRP板建立為長方體模型 ，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，進給量0.02mm/r，徑向切深0.3mm， 主軸轉速為8000rpm、9000rpm、10000rpm、11000rpm、12000rpm。通過仿真模擬得到各參數(shù)對銑削力 、銑削溫度、工件表面應力、刀具磨損、加工質(zhì)量的影響[7]。

大連交通大學運用DEFORM-3D有限元軟件對麻花鉆鉆削CFRP板過程進行仿真 ，得到了鉆孔過程中切削溫度 、軸向力及扭矩的變化規(guī)律，如圖3所示。并針對不同的主軸轉速和進給速度進行了仿真分析， 得到了不同切削參數(shù)下鉆削碳纖維復合板的軸向力和扭矩的變化規(guī)律 ，通過模擬結果發(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。 針對單一因素分析，主軸轉速越高 ，軸向力越小；在主軸轉速一定范圍內(nèi)，進給速度對軸向力的影響呈一致性； 軸向力隨進給速度的變化呈平緩趨勢[8]。

圖3切削溫度的仿真圖

西北工業(yè)大學的學者針對碳纖維復合材料板 ， 應用Deform-3D仿真軟件進行鉆削過程的仿真研究，得出了鉆削過程中切削力和扭矩的變化規(guī)律[9]。

哈理工大學應用DEFORM進行PCD刀具鉆削CFRP板過程的仿真模擬，模擬碳纖維復合材料的鉆削過程 ，得到主軸轉速為3000rpm且進給速度為210mm/min的切削力和扭矩的變化曲線，進而得到鉆削力的變化規(guī)律[10]。

3 總結

為了降低成本且有效提高碳纖維復合材料切削加工的表面質(zhì)量，運用有限元技術研究CFRP的切削加工已經(jīng)越來越廣泛，目前應用較多的軟件是ABAQUS和DEFORM。ABAQUS在研究纖維方向對切削力以及加工表面質(zhì)量的影響比較有優(yōu)勢 ，DEFORM在分析切削過程中切削力及切削溫度等方面比較好 。 總之，利用有限元技術來研究復合材料的切削是此領域的趨勢。