刀具織構輪廓對碳纖維增強復合材料面下損傷影響的切削仿真研究

程耀天 張旭 謝朝雨 林旭東 王若瑾

（上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

文摘 為減小碳纖維增強復合材料（CFRP）加工時的面下損傷深度，創建了基于二維Hashin 準則的宏觀連續動態切削CFRP有限元模型，分析了切削力和面下損傷深度與纖維方向角之間的變化趨勢，通過引入織構刀具來降低切削力及面下損傷深度，比較了溝槽形織構刀具、圓形織構刀具、三角形織構刀具切削CFRP 的切削力和面下損傷。結果表明，不同織構刀具的切削力和面下損傷深度隨纖維方向角變化趨勢一致，均在0°時最小，90°達到最大值；織構刀具相對傳統無織構刀具切削CFRP時均降低了切削力和面下損傷深度，其中圓形織構刀具降低程度最大；仿真模型經實驗驗證準確有效。

0 引言

碳纖維增強復合材料（CFRP）具有質量輕、強度高、耐疲勞、吸能性強、各向異性等特性，被廣泛應用于航空航天、汽車制造、軍事、建筑等領域［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生分層、纖維脫落、基體開裂等現象，導致復合材料的內部出現面下損傷［5］，從而導致材料物理性能的降低，進而減少使用壽命，目前很多學者在提高工件表面質量方面進行了大量的研究，但是如何減少面下損傷至今研究較少。

由于CFRP 材料角度多變，許多學者多采用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聯，所以只依靠實驗來研究CFRP 切削加工成本太高，試驗數量較大。由于計算機技術的發展，近些年很多學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］通過實驗發現了切削不同角度時CFRP 損傷機制。AROLA等［9］用有限元方法等將CFRP 等效為均質體模擬仿真了加工各纖維角度時的切削力，并且成功地進行了實驗驗證。路冬等［10］采用Hashin-Damage 失效準則，建立了連續動態切削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律。陳德雄等［11］基于ABAQUS 創建了CFRP宏觀動態切削仿真模型，綜合考慮了加工參數對CFRP 亞表面損傷深度的影響規律。殷俊偉等［12］仿真分析了纖維方向、切削參數、刀具結構對切削CFRP 單向板面下損傷的影響，指出了產生面下損傷的主要原因是由于過大的切削力造成基體的破壞進而擴展產生裂紋，導致材料壽命的降低。上述學者僅僅分析了CFRP 面下損傷形成機制和影響因素，通過改變工藝參數來降低面下損傷深度，沒有考慮不同刀具輪廓對切削力和面下損傷深度的影響。而微織構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］，所以將微織構刀具用于加工各種角度CFRP時理論上均會減小面下損傷。

本文基于ABAQUS 仿真軟件采用Hashin 失效準則建立了CFRP 單向板宏觀動態切削仿真模型，用不同輪廓的微織構刀具進行切削仿真，預測出最大程度上減小切削力和CFRP面下損傷的織構刀具。

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氧樹脂材料，性能如表1所示［15］。

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

1.2 材料損傷模型

國內外學者做了大量的實驗驗證了Hashin 失效準則對于CFRP材料損傷破壞的準確性［9-10］。本文切削宏觀CFRP時采用二維Hashin失效準則，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失效準則1）Tab.2 Hashin invalidation criteria for CFRP

1.3 刀具參數

刀具的材料選取PCD 銑刀，與CFRP的摩擦因數設置為0.3，泊松比ν=0.2，彈性模量E=0.6 GPa。織構刀具是用激光技術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：無織構刀具、溝槽形織構刀具、圓形織構刀具和三角形織構刀具［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種織構刀具織構寬度W=10 μm，深度D=10 μm，間距L=20 μm，織構到刀尖距離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］。對工件劃分網格的方法為CPS4R，工件尺寸為1 mm ×2 mm，最小網格尺寸為5 μm，共劃分1.6×103個單元。由于不考慮刀具磨損和溫度場，所以將刀具設置為剛體，設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輪廓對切削CFRP 面下損傷的影響，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

為了驗證仿真結果的準確性，仿真模型所用的參數和文獻［19］實驗參數一致：切削速度v=6 m/min，背吃刀量ap=0.02 mm，纖維方向角θ=45°。仿真結果與實驗結果對比如圖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常現象，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 結果與討論

2.1 切削力隨纖維方向角變化規律

定義纖維方向角（θ）為指向未加工區域的碳纖維排列方向與刀具進給方向之間的夾角［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刀具切削力隨纖維角度θ的變化規律圖。

圖4 切削力隨纖維方向角θ的變化規律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°時達到最大。這是由于CFRP在x方向的剪切強度（79 MPa）低于拉伸強度（1.950 GPa）和壓縮強度（1.480 GPa），并且碳纖維是碳纖維增強復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 切削力隨織構形貌變化規律

為了研究切削力隨不同織構形貌的變化規律，測試3 種織構刀具在同一切削參數下切削不同角度CFRP 的切削力，與無微織構的傳統刀具進行對比，結果如圖6所示。

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

顯然，織構刀具切削時產生的切削力在均不同程度上小于傳統無織構刀具，這是由于織構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，同時織構刀具使前刀面存在多個切削刃同時進行切削，也可以對與前刀面接觸的切屑進行二次加工，導致切屑崩碎，進而減小了切削力。圓形織構刀具相比溝槽形織構刀具和三角形織構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，因此圓形織構刀具加工CFRP 時的切削力均小于其他織構刀具。

2.3 面下損傷隨纖維方向角變化規律

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

圖7 是無織構刀具切削不同纖維方向角時的面下損傷仿真結果。可見不同纖維方向的面下損傷與纖維方向基本一致并向刀具進給方向擴展。隨纖維角度增加，面下損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，可以得出面下損傷深度主要受切削力的控制。

圖7 不同纖維方向角的面下損傷深度Fig.7 Subsurface damage at different fiber orientation angles

2.4 面下損傷隨織構形貌變化規律

為了研究面下損傷深度隨刀具織構形貌的變化規律，在相同切削參數條件下使用3種不同織構刀具對4 種纖維方向角的CFRP 進行切削并測量其面下損傷深度，如圖8所示。

圖8 不同織構形貌加工CFRP的面下損傷深度Fig.8 Subsurface damage in cutting CFRP with different surface micro-textured tool

和傳統無織構刀具切削結果對比結果如圖9 所示。發現相同條件下3 種織構刀具加工不同纖維方向角的CFRP 時均比傳統刀具加工的面下損傷深度小，并且面下損傷深度隨織構形貌的變化規律與切削力變化規律基本一致，進一步驗證了面下損傷深度受切削力的控制。

圖9 織構形貌對CFRP面下損傷深度的影響Fig.9 Effect of texture morphology on damage depth under CFRP plane

3 結論

建立了CFRP宏觀連續動態切削的面下損傷仿真模型，并通過實驗驗證。不同織構刀具切削CFRP時的切削力和面下損傷深度隨纖維方向角變化的規律如下：

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

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

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