纖維切削角對(duì)CFRP加工缺陷的影響規(guī)律

周井文，陳 燕，傅玉燦，徐九華，胡安東，劉思齊

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，210016南京)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)、高耐腐蝕性和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、先進(jìn)武器系統(tǒng)、汽車(chē)、精密儀器、電子和體育用品等領(lǐng)域［1］.但是，CFRP材料的各向異性和非均勻特性，使得其加工過(guò)程、表面質(zhì)量等并不像諸如金屬類(lèi)各向同性材料具有很強(qiáng)的規(guī)律性.Koplev等［2］通過(guò)對(duì)CFRP進(jìn)行正交切削試驗(yàn)，將表面質(zhì)量與纖維方向聯(lián)系起來(lái)，發(fā)現(xiàn)0°纖維方向鋪層加工表面質(zhì)量較好，同時(shí)纖維方向?qū)w維斷裂形式有重大影響.Wang等［3-4］分別對(duì)單向和多向疊層CFRP進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)，研究表明隨著纖維方向角的增大，切屑長(zhǎng)度逐漸減小，但是寬度基本不變.同時(shí)隨著纖維方向角的增大，加工表面質(zhì)量逐漸惡化.對(duì)于具體的加工形式，纖維方向角并不能完美解釋加工過(guò)程中切削力、表面質(zhì)量的變化，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在纖維方向角的基礎(chǔ)上提出了纖維切削角的概念.Karpat等［5］將纖維切削角引入其CFRP加工銑削力建模中，研究表明纖維切削角對(duì)銑削力影響顯著，最大徑向力發(fā)生在纖維切削角為140°時(shí)，而當(dāng)纖維切削角為120°時(shí)，切向切削力達(dá)到最大值.Kalla等［6］建立了CFRP銑削力剛體力學(xué)模型，并通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(ANN)進(jìn)行驗(yàn)證，建立了銑削力與纖維方向之間的聯(lián)系.Hintze等［7］對(duì)CFRP進(jìn)行鉆削測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)纖維切削角能夠有效影響鉆削溫度，并通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證了這一試驗(yàn)結(jié)果.Gururaja等［8-9］從理論角度對(duì)不同纖維方向CFRP在線性載荷下的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)纖維受力方向決定了材料失效形式.

El-Hofy等［10］對(duì)于CFRP材料加工過(guò)程中易產(chǎn)生的各種缺陷形式，進(jìn)行了系統(tǒng)的分類(lèi)和分析.Hintze等［11］將表面鋪層產(chǎn)生的分層缺陷與纖維切削角進(jìn)行聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維切削角在90°～180°時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的分層缺陷.Sheikh-heikh-Ahmad等［12］將CFRP表層分層形式分為4類(lèi)，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.Hintze等［13］建立了纖維束的最小彎曲模型［14］，定義了兩種纖維斷裂模型，分別為垂直于鋪層平面的斷裂和鋪層平面內(nèi)的斷裂.Feito等［15］通過(guò)兩種有限元模型對(duì)鉆削分層進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明模型的選擇對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果有重大影響，同時(shí)CFRP工件的夾持方式也能夠?qū)Ψ謱赢a(chǎn)生重要影響.目前，關(guān)于CFRP機(jī)械加工缺陷的研究絕大部分都集中在分層，撕裂等缺陷［11，16-18］，然而在實(shí)際加工過(guò)程中加工表層出現(xiàn)的毛刺缺陷幾乎難以避免，一般僅采用砂紙將毛刺進(jìn)行打磨去除，并沒(méi)有對(duì)加工過(guò)程中抑制毛刺的產(chǎn)生開(kāi)展研究.

本文擬基于纖維切削角計(jì)算CFRP碳纖維每齒切削長(zhǎng)度，計(jì)算不同方向的單根碳纖維在纖維切削角90～180°時(shí)每齒實(shí)際切削長(zhǎng)度，揭示纖維切削角與纖維斷裂形式、毛刺形成的關(guān)系.在此基礎(chǔ)上采用4種不同纖維方向的單向帶結(jié)構(gòu)CFRP層合板進(jìn)行切槽加工，研究切口毛刺形成隨纖維切削角的變化規(guī)律，并驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性.

1 定義及計(jì)算方法

1.1 相關(guān)符號(hào)及參數(shù)定義

纖維方向角θ和纖維切削角γ定義如圖1所示，本計(jì)算方法主要研究纖維切削角對(duì)加工表層毛刺形成的影響規(guī)律，因此研究的區(qū)域?yàn)殚_(kāi)槽加工中始終與刀具相接處的半圓區(qū)域.由于此區(qū)域?yàn)槿魏蔚毒邚那腥氲角谐龅娜繀^(qū)間，因此包括了刀具切削過(guò)程中纖維切削角γ的全部范圍.與本計(jì)算方法相關(guān)的符號(hào)及參數(shù)的定義詳見(jiàn)表1.根據(jù) Hintze等［13］研究，當(dāng)纖維切削角γ在 0°～90°時(shí)，纖維的斷裂形式為垂直于鋪層平面的彎曲斷裂;當(dāng)纖維切削角γ在90°～180°時(shí)，纖維可能會(huì)發(fā)生鋪層平面內(nèi)的彎曲斷裂.但是無(wú)論發(fā)生何種形式的斷裂，一定會(huì)在切口出現(xiàn)崩邊、撕裂等缺陷，但這一現(xiàn)象僅僅在纖維切削角γ=0°～90°范圍內(nèi)出現(xiàn)，而在另一區(qū)域則出現(xiàn)了典型的毛刺缺陷.這一現(xiàn)象說(shuō)明纖維并沒(méi)有發(fā)生斷裂，而是僅僅發(fā)生了彎曲，當(dāng)切削刃離開(kāi)切削區(qū)域后，碳纖維又回彈至初始位置.因此本文對(duì)4種不同方向的碳纖維計(jì)算關(guān)于纖維切削角的單根纖維每齒切削長(zhǎng)度，研究纖維斷裂和毛刺的形成趨勢(shì).

圖1 纖維方向角θ和纖維切削角γ示意

表1 相關(guān)符號(hào)及參數(shù)定義

1.2 單根碳纖維每齒切削長(zhǎng)度計(jì)算方法

圖2～5分別為4種方向纖維在纖維切削角γ=90°～180°范圍內(nèi)同一根碳纖維從與刀具剛接觸到離開(kāi)時(shí)不同時(shí)刻每齒切削長(zhǎng)度示意圖.可以看出，除了0°纖維方向CFRP外，其他3種方向的碳纖維(如圖2～4所示)與刀具初始接觸時(shí)其纖維切削角均等于180°(或0°).隨著刀具的繼續(xù)前進(jìn)，碳纖維在初始接觸點(diǎn)發(fā)生斷裂，其中位于斷裂左側(cè)區(qū)域的碳纖維切削角γ均從180°逐漸降低.其中45°和90°方向的碳纖維(如圖(2)和圖(4)所示)完整經(jīng)歷了從纖維切削角γ=180°到γ=90°的連續(xù)變化過(guò)程，而135°方向的碳纖維(見(jiàn)如圖3所示)僅僅經(jīng)歷了從纖維切削角γ=180°到γ=135°的一半過(guò)程，其另一半變化過(guò)程出現(xiàn)在另一段纖維束順切加工過(guò)程中，且纖維切削角變化規(guī)律為從γ=90°到γ=135°.相比而言，0°方向纖維(如圖5所示)在刀具進(jìn)給過(guò)程中所經(jīng)歷的過(guò)程十分簡(jiǎn)單，對(duì)于任一碳纖維其纖維切削角γ自始至終均保持不變.將每根碳纖維所經(jīng)歷的纖維切削角γ從180°變化至90°(或135°)的過(guò)程中刀具沿進(jìn)給方向所前進(jìn)的長(zhǎng)度記為A0An，對(duì)于這一過(guò)程中所經(jīng)歷的刀具切削刃的總數(shù)記為n，且

圖2中對(duì)應(yīng)θ=45°時(shí)，碳纖維每齒切削長(zhǎng)度計(jì)算公式:

圖2 θ=45°碳纖維每齒切削長(zhǎng)度

圖3中對(duì)應(yīng)θ=135°，135°＜γ＜180°時(shí);碳纖維每齒切削長(zhǎng)度計(jì)算公式:

圖3中對(duì)應(yīng)θ=135°，90°＜γ＜ 135°時(shí)，碳纖維每齒切削長(zhǎng)度計(jì)算公式:

圖3 θ=135°碳纖維每齒切削長(zhǎng)度

圖4中對(duì)應(yīng)θ=90°時(shí)，碳纖維每齒切削長(zhǎng)度計(jì)算公式:

圖4 θ=90°碳纖維每齒切削長(zhǎng)度

圖5中對(duì)應(yīng)θ=0°時(shí)，碳纖維每齒切削長(zhǎng)度計(jì)算公式:

圖2～5中l(wèi)k為第k個(gè)刀具切削刃所累積切削的碳纖維長(zhǎng)度，dk為第k個(gè)刀具切削刃所實(shí)際切削的碳纖維長(zhǎng)度.為與后續(xù)驗(yàn)證試驗(yàn)相呼應(yīng)，式中刀具半徑均為5 mm.隨著纖維切削角γ的增大，每個(gè)切削刃實(shí)際切削的碳纖維長(zhǎng)度dk逐漸減小，具體計(jì)算值及趨勢(shì)圖見(jiàn)圖6.

圖5 θ=0°碳纖維每齒切削長(zhǎng)度

圖6 瞬時(shí)碳纖維切削長(zhǎng)度與累積碳纖維切削長(zhǎng)度隨纖維切削角變化趨勢(shì)

如圖6(a)和(c)所示，對(duì)于45°和90°方向纖維，由于其纖維切削角γ均從180°到90°連續(xù)變化，所以其每齒切削纖維長(zhǎng)度dk均隨著纖維切削角γ的減小而急劇減小，當(dāng)纖維切削角γ小于135°時(shí)可見(jiàn)每齒切削纖維長(zhǎng)度dk已經(jīng)非常小，同時(shí)此后切削纖維長(zhǎng)度lk幾乎不變化.這說(shuō)明對(duì)于任一碳纖維其主要被切斷的過(guò)程發(fā)生在135°＜γ＜180°的范圍內(nèi)，當(dāng) 90°＜γ＜ 135°時(shí)，每齒所實(shí)際切削的碳纖維長(zhǎng)度幾乎可以忽略不計(jì).而對(duì)于135°方向纖維其纖維切削角γ的變化區(qū)間被分割為兩個(gè)部分:如圖6(b)所示在135°＜γ＜180°的范圍內(nèi)，其變化規(guī)律與其他方向纖維類(lèi)似;而當(dāng)在90°＜γ＜135°的范圍內(nèi)時(shí)，出現(xiàn)了相反的現(xiàn)象，即隨著纖維切削角γ的減小，每齒所切削碳纖維長(zhǎng)度出現(xiàn)了急劇增大的趨勢(shì).但是，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，與135°＜γ＜180°的區(qū)間不同，每齒切削纖維長(zhǎng)度dk在γ=135°附近迅速增大后，在其后一段范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，且在γ=90°附近也沒(méi)有出現(xiàn)任何第二次激增，說(shuō)明在這一區(qū)間每齒所切削纖維長(zhǎng)度dk相對(duì)平均.同時(shí)發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)區(qū)間(135°＜γ＜ 180°和 90°＜γ＜ 135°)內(nèi)，碳纖維累計(jì)總共被切削的長(zhǎng)度相等，為lk=2.07 mm，但是在兩個(gè)區(qū)間中實(shí)際參加的刀具齒數(shù)相差巨大(見(jiàn)圖(3))，分別為1 408(135°＜γ＜ 180°)和 3 401(90°＜γ＜ 135°)，即在 135°＜γ＜ 180°的平均每齒所切碳纖維長(zhǎng)度為90°＜γ＜ 135°的2.42倍.由于本身碳纖維屬于脆性材料，在相同長(zhǎng)度下，在90°＜γ＜135°時(shí)其受到刀具切削刃的持續(xù)沖擊作用要遠(yuǎn)高于在另一范圍內(nèi)，碳纖維更加容易發(fā)生斷裂而被去除，因此可形成的毛刺也更加微觀從而難以觀察.

以上分析均為基于運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律所得，為進(jìn)一步研究材料失效及毛刺形成規(guī)律，在此引入碳纖維最小彎曲半徑rmin［14］，當(dāng)碳纖維實(shí)際彎曲半徑降低至此時(shí)即發(fā)生彎曲斷裂，且

式中:εB為碳纖維的斷裂伸長(zhǎng)率(T800碳纖維為1.8%);d為碳纖維束的直徑，經(jīng)計(jì)算得rmin=150 μm.

而毛刺缺陷的產(chǎn)生正是由于纖維束僅僅發(fā)生了彎曲并沒(méi)有發(fā)生斷裂，因此碳纖維實(shí)際彎曲半徑r要大于理論最小彎曲半徑.結(jié)合本文將纖維切削角γ引入碳纖維實(shí)際彎曲半徑r(見(jiàn)圖7):

4種方向碳纖維實(shí)際彎曲半徑r隨纖維切削角γ的變化趨勢(shì)如圖8所示，由圖8可知，135°方向纖維在γ=135°時(shí)出現(xiàn)了彎曲半徑的最小值，其他3種方向纖維均呈現(xiàn)單調(diào)減小的趨勢(shì).但是4種方向纖維實(shí)際彎曲半徑的極大值均出現(xiàn)在纖維切削角γ無(wú)限逼近180°處.結(jié)合式(1)的結(jié)果可知，當(dāng)纖維切削角γ較大時(shí)，實(shí)際彎曲半徑r大于碳纖維最小彎曲半徑rmin，這說(shuō)明碳纖維僅僅發(fā)生了彎曲并沒(méi)有斷裂.這一現(xiàn)象從力學(xué)角度同樣證明了纖維切削角對(duì)纖維失效及毛刺形成規(guī)律有重大影響.

圖7 單根碳纖維彎曲半徑示意

圖8 4種不同方向碳纖維彎曲半徑趨勢(shì)

2 CFRP加工表層缺陷驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)在DMG HSC 20 linear五軸精密加工中心進(jìn)行，最大主軸轉(zhuǎn)速為42 000 r/min，工件裝夾及加工現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示.試驗(yàn)樣件采用4種纖維方向(分別為 0°、45°、90°和 135°)的 CFRP 單向?qū)訅喊澹ぜ木唧w規(guī)格見(jiàn)表2.

圖9 CFRP開(kāi)槽加工現(xiàn)場(chǎng)及工件裝夾示意

加工刀具為本課題組自行研制的單層釬焊有序排布金剛石銑磨刀具，直徑為10 mm.磨粒粒度為80/100#金剛石，釬料為Ag-Cu-Ti，刀具螺旋角為45°，齒數(shù)為12排.加工方式為分別對(duì)4種纖維方向CFRP層合板進(jìn)行開(kāi)槽試驗(yàn)，具體加工參數(shù)見(jiàn)表3.加工完成后利用KH-7700三維視頻顯微鏡對(duì)加工切口進(jìn)行觀察分析.

表2 CFRP單向?qū)雍习逡?guī)格及參數(shù)

表3 加工參數(shù)及試驗(yàn)安排

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

如圖10所示，將切口半圓平均分為4個(gè)部分，按纖維切削角γ分別為0～45°、45～90°、90～135°、135～180°.由圖 10 可知，纖維切削角γ在0～90°時(shí)的切口質(zhì)量要優(yōu)于纖維切削角γ在90～180°時(shí)的切口質(zhì)量，同時(shí)在兩區(qū)間缺陷形式有明顯區(qū)別.當(dāng)纖維切削角γ在0～90°時(shí)，切口缺陷形式主要為典型的崩邊缺陷，且隨著纖維切削角的增大，崩邊缺陷逐漸明顯.這與 Hintze等［13］所建立的模型是符合的，即在此區(qū)域纖維的斷裂形式主要為垂直于鋪層平面內(nèi)的彎曲斷裂，同時(shí)表層破壞深度隨纖維切削角的增大而增大［13］，并在當(dāng)γ=90°時(shí)達(dá)到最大值，主要的崩邊缺陷幾乎都集中在纖維切削角γ=90°周?chē)?當(dāng)纖維切削角γ在90～180°時(shí)，切口缺陷形式主要為典型的毛刺缺陷，且隨著纖維切削角的增大，毛刺缺陷逐漸明顯，毛刺長(zhǎng)度不斷增大.這與 Hintze等［13］所建立的模型是相悖的，此時(shí)纖維并沒(méi)有發(fā)生斷裂，而是僅僅彎曲形成毛刺.基于本文所計(jì)算的單根碳纖維每齒切削長(zhǎng)度，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來(lái)看，在γ=135～180°區(qū)域內(nèi)參加切削的切削刃數(shù)量少，同時(shí)每齒所切碳纖維長(zhǎng)度也很大.這一現(xiàn)象說(shuō)明碳纖維經(jīng)受切削刃沖擊較少，碳纖維更趨向于彎曲退讓而不是直接斷裂或破碎，毛刺更加容易形成.從力學(xué)角度來(lái)看，在γ=135～180°區(qū)域內(nèi)碳纖維的實(shí)際彎曲半徑與理論最小彎曲半徑相當(dāng)，并且其極大值均出現(xiàn)在纖維切削角γ無(wú)限逼近180°處.這一現(xiàn)象說(shuō)明隨著纖維切削角的增大，碳纖維由于彎曲半徑較大更加趨向于彎曲而非斷裂.同時(shí)在圖10中γ=90～135°區(qū)域內(nèi)可以明顯看出崩邊和微量毛刺共存，而在γ=135～180°區(qū)域內(nèi)纖維幾乎都是明顯毛刺，說(shuō)明了缺陷產(chǎn)生的形式和發(fā)展規(guī)律是連續(xù)的，試驗(yàn)結(jié)果與單根碳纖維每齒切削長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果的預(yù)測(cè)是相符的.

圖10 4種纖維方向切口范圍分區(qū)

3 結(jié)論

1)本文基于纖維切削角，提出了單根碳纖維每齒切削長(zhǎng)度的計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果和驗(yàn)證試驗(yàn)均顯示纖維切削角直接影響CFRP加工缺陷的形式和發(fā)展規(guī)律.

2)單根碳纖維每齒切削長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果顯示:纖維切削角在135～180°范圍內(nèi)碳纖維每齒切削長(zhǎng)度顯著減小，參加切削的切削刃數(shù)量顯著增加;纖維切削角在135～180°范圍內(nèi)纖維實(shí)際彎曲半徑大于其理論最小值或與其相當(dāng)，纖維僅僅發(fā)生彎曲形成毛刺，而非斷裂.

3)在CFRP切槽加工中，纖維切削角對(duì)切口缺陷形式有重要影響.當(dāng)纖維切削角在0～90°范圍內(nèi)時(shí)，加工缺陷形式主要為崩邊;當(dāng)纖維切削角在90～180°范圍內(nèi)時(shí)，加工缺陷形式主要為毛刺.其中在90～135°范圍內(nèi)，毛刺與崩邊共存，且毛刺逐漸加劇;在135～180°范圍內(nèi)，缺陷形式幾乎為毛刺，且長(zhǎng)度隨纖維切削角的增大而逐漸變長(zhǎng).

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