摘要
为减小碳纤维增强复合材料(CFRP)加工时的面下损伤深度,创建了基于二维Hashin准则的宏观连续动态切削CFRP有限元模型,分析了切削力和面下损伤深度与纤维方向角之间的变化趋势,通过引入织构刀具来降低切削力及面下损伤深度,比较了沟槽形织构刀具、圆形织构刀具、三角形织构刀具切削CFRP的切削力和面下损伤。结果表明,不同织构刀具的切削力和面下损伤深度随纤维方向角变化趋势一致,均在0°时最小,90°达到最大值;织构刀具相对传统无织构刀具切削CFRP时均降低了切削力和面下损伤深度,其中圆形织构刀具降低程度最大;仿真模型经实验验证准确有效。
关键词
碳纤维增强复合材料(CFRP)具有质量轻、强度高、耐疲劳、吸能性强、各向异性等特性,被广泛应用于航空航天、汽车制造、军事、建筑等领
由于CFRP材料角度多变,许多学者多采用4种典型的纤维角度0°(平行于纤维方向)、45°(顺纤维方向)、90°(垂直于纤维方向)和135°(逆纤维方向)来分析CFRP材料损伤机
本文基于ABAQUS仿真软件采用Hashin失效准则建立了CFRP 单向板宏观动态切削仿真模型,用不同轮廓的微织构刀具进行切削仿真,预测出最大程度上减小切削力和CFRP面下损伤的织构刀具。
本文采用材料的是单向碳纤维环氧树脂材料,性能如
弹性模量/GPa | xOy平面剪切模量 G12/GPa | 泊松比 ν12 | x方向/MPa | y方向/MPa | 密度 ρ/g·c | 剪切强度/MPa | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
x方向E1 | y方向E2 | 拉伸强度XT | 压缩强度XC | 拉伸强度YT | 压缩强度YC | x方向SL | y方向ST | |||
116 | 8.5 | 3.26 | 0.32 | 1950 | 1480 | 48 | 200 | 1.47 | 79 | 79 |
国内外学者做了大量的实验验证了Hashin失效准则对于CFRP材料损伤破坏的准确
失效模式 | 判定失效公式 |
---|---|
纤维拉伸失效(σ11≥0) | =+ |
纤维压缩失效(σ11<0) | = |
基体拉伸失效(σ22≥0) | =+ |
基体压缩失效(σ22<0) | =+[-1]+ |
注: 1)σ11、σ22表示沿纤维轴向的应力和垂直纤维轴向的应力,用σ12表示铺层间的剪切应力。
刀具的材料选取PCD铣刀,与CFRP的摩擦因数设置为0.3,泊松比ν=0. 2,弹性模量E=0.6 GPa。织构刀具是用激光技术在靠近刀具主切削刃的前刀面上加工出一定形状的刀具,按照刀具轮廓分为:无织构刀具、沟槽形织构刀具、圆形织构刀具和三角形织构刀
(a) 无织构
(b) 沟槽形织构
(c) 圆形织构
(d) 三角形织构
图1 刀具轮廓示意图
Fig.1 Cutter profile diagram
首先在ABAQUS软件中要建立工件和刀具的几何模型,然后分别赋予材料属性,通过assign material orientation命令定义不同的纤维方向角θ,通过装配得到切削CFRP二维仿真模型,如
图2 二维仿真模型
Fig.2 Two-dimensional simulation model
为了验证仿真结果的准确性,仿真模型所用的参数和文献[
图3 实验与仿真主切削力对比
Fig.3 Comparison of experimental and simulated main cutting forces
定义纤维方向角(θ)为指向未加工区域的碳纤维排列方向与刀具进给方向之间的夹
图4 切削力随纤维方向角θ的变化规律
Fig.4 Cutting force changing with the fiber direction Angle θ
从
图5 90°CFRP切削仿真图
Fig.5 Simulation diagram of 90°CFRP cutting
为了研究切削力随不同织构形貌的变化规律,测试3种织构刀具在同一切削参数下切削不同角度CFRP的切削力,与无微织构的传统刀具进行对比,结果如
图6 织构形貌对切削力的影响
Fig. 6 Influence of texture morphology on cutting force
显然,织构刀具切削时产生的切削力在均不同程度上小于传统无织构刀具,这是由于织构刀具与已加工失效的切屑接触面积减少,改善刀具与切屑的摩擦状况,同时织构刀具使前刀面存在多个切削刃同时进行切削,也可以对与前刀面接触的切屑进行二次加工,导致切屑崩碎,进而减小了切削力。圆形织构刀具相比沟槽形织构刀具和三角形织构刀具形成的切削刃刀尖圆弧半径更小,前刀面上的切削刃更加锋利,因此圆形织构刀具加工CFRP时的切削力均小于其他织构刀具。
在切削CFRP过程中,材料产生面下损伤很大程度上是由于外力作用导致纤维拔拉、界面脱粘、基体开裂。其中由基体拉伸失效造成的面下损伤表现得最为严
图7 不同纤维方向角的面下损伤深度
Fig.7 Subsurface damage at different fiber orientation angles
为了研究面下损伤深度随刀具织构形貌的变化规律,在相同切削参数条件下使用3种不同织构刀具对4种纤维方向角的CFRP进行切削并测量其面下损伤深度,如
(a) 沟槽形织构刀具
(b) 圆形织构刀具
(c) 三角形织构刀具
图8 不同织构形貌加工CFRP的面下损伤深度
Fig.8 Subsurface damage in cutting CFRP with different surface micro-textured tool
和传统无织构刀具切削结果对比结果如
图9 织构形貌对CFRP面下损伤深度的影响
Fig.9 Effect of texture morphology on damage depth under CFRP plane
建立了CFRP宏观连续动态切削的面下损伤仿真模型,并通过实验验证。不同织构刀具切削CFRP时的切削力和面下损伤深度随纤维方向角变化的规律如下:
(1)切削力随纤维方向角先增大后减小,在90°时达到最大值,面下损伤深度受切削力的控制,切削力越大面下损伤深度越大;
(2)相同条件下,切削不同纤维方向角的CFRP时,与传统无织构刀具相比,织构刀具对切屑二次加工,显著降低了切削力和面下损伤深度;
(3)圆形织构刀具相对沟槽形和三角形织构刀具前刀面切削刃刀尖圆弧半径更小,对切削力和面下损伤深度的减小程度更大。
参考文献
SPRONK S, KERSEMANS M, BAERDEMAEKER J, et al.Comparing damage from low-velocity impact and quasistatic indentation in automotive carbon/epoxy and glass/polyamide-6 laminates[J].Polymer Testing,2018,65:231-241. [百度学术]
CASTELLANO A, FOTI P, FRADDOSIO A, et al. The ultrasonic C-scan technique for damage evaluation of GFRP composite materials[J]. International Journal of Mechanics, 2016,10:206-212. [百度学术]
ALEXANDER,OCHOA O O.Extending onshore pipeline repair to offshore steel risers with carbon-fiber reinforced composites[J].Composite Structures,2010,92(2):499-507. [百度学术]
TSIROGIANNIS E C,STAVROULAKIS G E, MAKRIDIS S S.Optimised ultrafast lightweight design and finite element modelling of a CFRP monocoque electric car chassis[J]. International Journal of Electric and Hybrid Vehicles,2019,11(3):255-287. [百度学术]
XU, JIN Y.On the interpretation of drilling CFRP/Ti6 Al4V stacks using the orthogonal cutting method:Chip removal mode and subsurface damage formation[J].Journal of Manufacturing Processes,2019,44(AUG.):435-447 . [百度学术]
高汉卿,贾振元,王福吉,等.基于细观仿真建模的CFRP细观破坏[J].复合材料学报,2016,33(4):758-767. [百度学术]
GAO H,JIA Z,WANG F,et al.Mesoscopic failure of CFRP based on mesoscopic simulation modeling[J].Acta Materiae Compositae Sinica, 2016,33(4):758-767. [百度学术]
DANDEKAR C R,SHIN Y C.Modeling of machining of composite materials:A review[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2012,57:102-121. [百度学术]
GAO C,XIAO J,XU J,et al.Factor analysis of machining parameters of fiber-reinforced polymer composites based on finite element simulation with experimental investigation[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016,83:5-8. [百度学术]
AROLA D,RAMULU M.Orthogonal cutting of fiber- reinforced composites:A finite element analysis[J]. International Journal of Mechanical Sciences,1997,39(5):597 -613. [百度学术]
路冬,李志凯,融亦鸣,等.基于宏观各向异性碳纤维增强树脂基复合材料的切削仿真[J].复合材料学报,2014,31(3):584-590. [百度学术]
LU D,LI Z,RONG Y,et al.Cutting simulation of carbon fiber reinforced resin matrix composite material based on macroscopic anisotropy[J].Acta Materiae Compositae Sinica, 2014,31(3):584-590. [百度学术]
陈德雄,林有希,任志英,等.工艺参数对碳纤维复合材料切削过程亚表面损伤影响的数值建模[J].机械设计与制造工程,2017,046(5):13-18. [百度学术]
CHEN D,LIN Y,REN Z,et al.Numerical modeling on the influence of process parameters to the subsurface damage during the cutting process of carbon fiber reinforced plastic composites[J].Machine Design & Manufacturing Engineering,2017,046(5):13-18. [百度学术]
殷俊伟,贾振元,王福吉,等.基于CFRP切削过程仿真的面下损伤形成分析[J].机械工程学报,2016,52(17):58-64. [百度学术]
YIN J,JIA Z,WANG F,et al.FEM Si-mulation analysis of subsurface damage formation based on continuously cutting process of CFRP[J]. Journal of Mechanical Engineering,2016, 52(17):58-64. [百度学术]
YU Q,ZHANG X,MIAO X,et al.Performances of concave and convex microtexture tools in turning of Ti6Al4V with lubrication[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2020,109:3-4. [百度学术]
MIAO X,ZHANG X,LIU X,et al.Numerical analysis of performance of different micro-grooved tools for cutting titanium alloy Ti-6Al-4V.International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2020,111,1037–1054. [百度学术]
RENTSCH R,PECAT O,BRINKSMEIER E. Macro and micro process modeling of the cutting of carbon fiber reinforced plastics using FEM[J]. Procedia Engineering, 2011, 10(C):1823-1828. [百度学术]
陶亮,钟稳,陈俊.沟槽形微织构刀具切削性能仿真研究[J].机械与电子,2020,38(11):29-32. [百度学术]
TAO L,ZHONG W,CHEN J.Numerical Investigation on the Cutting Performance of surface micro-groove textured cutting tool[J].Machinery & Electronics,2020, 38(11):29-32. [百度学术]
李斌.圆形微织构对缸套抗拉缸性能影响规律研究[D].大连海事大学,2018. [百度学术]
LI B.Research on antiscuffing performance of circular micro-textured surface on cylinder liner[D].Dalian Maritime University,2018. [百度学术]
CHEN P,XIANG X,SHAO T,et al.Effect of triangular texture on the tribological performance of die steel with TiN coatings under lubricated sliding condition[J].Applied Surface Science, 2016,389:361-368. [百度学术]
TOKPAVI D L.Approches experimentale et numerique de l'ecoulement de fluides a seuil de contrainte autour d'obstacles cylindriques[D].Français:Université Joseph-Fourier- Grenoble I,2008. [百度学术]