碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习宥S切削力的建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习宓那邢骷庸?，具體涉及的是一種 基于方向性切削比能的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习宥S切削力的建模方法，屬于機(jī)械 切削加工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] -般金屬材料較為經(jīng)典的二維切削力的建模主要是建立在剪切滑移假設(shè)基礎(chǔ)上 的，認(rèn)為在金屬材料的切削加工過(guò)程中存在一個(gè)剪切滑移面，剪切滑移面上的工件材料達(dá) 到剪切應(yīng)力極限后沿剪切角產(chǎn)生滑移，并形成最終的切肩。金屬材料正交切削時(shí)剪切角的 較為經(jīng)典的計(jì)算公式有M.E.Merchant模型和Lee and Shaffer模型。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱CFRP)作為最具代表性的一種先進(jìn)的樹(shù)脂基復(fù) 合材料，其具有比強(qiáng)度和比剛度大、耐腐蝕等諸多優(yōu)勢(shì)。CFRP單向?qū)雍习逶谡磺邢髟囼?yàn)過(guò) 程中的力學(xué)行為特征以及不同方向上的材料去除機(jī)理與纖維方向存在著顯著的相關(guān)關(guān)系， CFRP單向?qū)雍习宓亩S切削力建模必須首要考慮材料的各向異性，即纖維方向角（Θ)必須 作為重要參數(shù)引入到力學(xué)模型中。目前主要的CFRP材料二維切削力建模的研究現(xiàn)狀，可以 看到延續(xù)了金屬材料的建模思路，主要以假設(shè)在CFRP材料的切削加工中仍然存在一個(gè)剪切 滑移面，并且認(rèn)為CFRP材料在剪切面上的破壞是沿兩個(gè)方向完成的：一個(gè)是沿0°纖維方向 的纖維一樹(shù)脂界面剪切分離，一個(gè)是沿90°纖維方向的纖維剪切斷裂分離。雖然此類理論模 型在一定程度上從材料去除機(jī)理上解釋了 CFRP單向?qū)雍习迩邢鲿r(shí)的力學(xué)行為，但受限于剪 切滑移明顯不適應(yīng)于逆纖維方向角的情況，因此在應(yīng)用時(shí)對(duì)纖維方向有限制。另外，為擴(kuò)大 模型在單向長(zhǎng)纖維增強(qiáng)類材料中的適用廣度，該類理論模型一般僅基于CFRP材料的力學(xué)性 能，并不引入基礎(chǔ)切削試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，使得到的切削力模型在應(yīng)用時(shí)預(yù)測(cè)精度并不令人滿意， 導(dǎo)致在指導(dǎo)切削工藝優(yōu)化、刀具設(shè)計(jì)時(shí)缺乏定量的指導(dǎo)意義。
[0003] 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索，至今未發(fā)現(xiàn)基于在不同纖維方向角下切削比能的CFRP二維切 削切削力建模方法的公開(kāi)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材 料單向?qū)雍习宥S切削力的建模方法，基于基礎(chǔ)切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)，引入對(duì)纖維方向角、切削速 度兩種對(duì)切削比能影響最顯著的因素的考慮，得到一種考慮了各向異性、預(yù)測(cè)精度更高、工 程實(shí)用性更強(qiáng)的CFRP材料切削力預(yù)測(cè)模型。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习宥S切削力的建模方法，其特征在于，所述 建模方法基于方向性切削比能建立碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习宓亩S切削力模型，該 二維切削力模型中的方向性切削比能包含碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的切斷機(jī)理和由纖維方向 角所導(dǎo)致的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料各向異性的因素，使所述二維切削力模型能夠預(yù)測(cè)不同纖 維方向角下的二維切削力。
[0007] 進(jìn)一步地，所述建模方法包括以下步驟：
[0008] 第一步，取纖維方向角Θ分別為0°、90°和135°進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍?板二維切削實(shí)驗(yàn)，獲得碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习宥S切削力的建模用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0009] 第二步，依據(jù)第一步中纖維方向角Θ為0°和90°的切削實(shí)驗(yàn)所獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建 立任意順纖維方向角下的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习宓亩S切削力模型。
[0010] 第三步，依據(jù)第一步中纖維方向角Θ為〇°和135°的切削實(shí)驗(yàn)所獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建 立任意逆纖維方向角下的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习宓亩S切削力模型。
[0011] 進(jìn)一步地，所述的任意順纖維方向角是指，0° < Θ <90°范圍內(nèi)的任一纖維方向角Θ。
[0012] 進(jìn)一步地，所述的任意逆纖維方向角是指，90° <Θ < 180°范圍內(nèi)的任一纖維方向角Θ。 [0013]本發(fā)明的另一技術(shù)方案如下：
[0014] -種上述碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习宥S切削力的建模方法的應(yīng)用，其采用 所述建模方法獲得的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向?qū)雍习宓亩S切削力模型預(yù)測(cè)切削過(guò)程中 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不同纖維方向角下的二維切削力，并用于碳纖維增強(qiáng)材料的切削刀具 的設(shè)計(jì)和制造以及切削工藝路線和參數(shù)的確定。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0016] 所述建模方法基于0°、90°、135°三個(gè)基本纖維方向角下的切削比能試驗(yàn)結(jié)果，根 據(jù)CFRP單向?qū)雍习宀煌w維方向下的切削去除機(jī)理，推導(dǎo)了 CFRP材料的方向性切削比能公 式，并最終建立了考慮了切削速度影響的基于方向性切削比能的CFRP單向?qū)雍习宥S切削 力模型。使得到的二維切削力模型具有更高的預(yù)測(cè)精度，在切削工藝優(yōu)化、刀具設(shè)計(jì)方面具 有更現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的順纖維方向的CFRP單向?qū)雍习宥S切削力建模的流程示意圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明的逆纖維方向的CFRP單向?qū)雍习宥S切削力建模的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本發(fā)明對(duì)CFRP單向?qū)雍习宥S切削比能采用先離散后擬合的方法得出了 0°、90° 和135°三個(gè)纖維方向角下切削比能隨速度的分布，再根據(jù)不同纖維方向角下CFRP單向?qū)雍?板二維切削機(jī)理，得到任意纖維方向角下切削比能隨速度的分布，從而建立CFRP單向?qū)雍?板的二維切削力模型，并用于碳纖維增強(qiáng)材料的切削刀具的設(shè)計(jì)和制造以及切削工藝路線 和參數(shù)的確定。
[0020] 考慮到CFRP材料是一種各向異性顯著的材料，即以不同纖維方向角Θ切削CFRP材 料時(shí)的切削比能并不相同，即可以認(rèn)為是在切削完全不同的材料，因此建立考慮方向性的 CFRP單向?qū)雍习宥S切削力模型需要不同Θ角條件下的切削比能，即引入考慮方向性的切 肖仳能110和<，可以得到纖維方向角Θ條件下的二維切削力模型：
[0021]
(.1)
[0022]其中，F(xiàn)c為主切削力，F(xiàn)P為切深抗力，t和ac分別為直角自由切削的切削寬度和切削 厚度，u0為主切削力計(jì)算得到的切削比能，<為切深抗力計(jì)算得到的切深力切削比能。 [0023]本發(fā)明包括以下步驟：
[0024]第一步，分別取0°、90°和135°纖維方向角進(jìn)行CFRP單向?qū)雍习宥S切削實(shí)驗(yàn)，給 定切削厚度a。及切削寬度t，取切削速度V。為若干離散值，采用飛刀進(jìn)行二維切削實(shí)驗(yàn)，得到 不同切削速度下主切削力F。和切深抗力匕隨切削速度的變化曲線。根據(jù)式（1)可計(jì)算出0°、 90°和135°纖維方向角下主切削力及切深抗力的切削比能u和％隨切削速度的變化曲線。采 用多項(xiàng)式對(duì)上述曲線進(jìn)行擬合即得到〇°、90°和135°纖維方向角下主切削力及切深抗力的 切削比能i^Pu P與切削速度V。的函數(shù)關(guān)系式。
[0025]第二步，0° <θ<90°順纖維角條件下的方向性切削力建模：
[0026]在0° <θ<90°的順纖維切削關(guān)系時(shí)，可視為由θ = 〇°的平行切削關(guān)系和θ = 90°的 垂直切削關(guān)系疊加而成的應(yīng)力狀態(tài):θ角越小，CFRP材料的切肩分離方式與0°的平行切削關(guān) 系相似，切肩分離較易發(fā)生；Θ角越大，CFRP材料的切肩分離方式與90°的垂直切削關(guān)系相 似，切肩分離較難發(fā)生。
[0027]如圖1所示，在0°<θ<90°的順纖維方向上，切削厚度ac可以沿纖維方向進(jìn)行正交 分解，得到沿纖維0°方向的切削厚度ac · COS0和沿纖維90°方向的切削厚度ac · sine。即，可 以將切削厚度為a。、順纖維方向角為Θ的正交切削分解為兩部分:切削厚度為a?！?COS0的平 行切削加工;切削厚度為a?！?sin0的垂直切削加工。再考慮順纖維切削加工中的方向性，其 中平行切削關(guān)系切削力和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)Θ，垂直切削關(guān)系切削力和Ff)逆時(shí)針 旋轉(zhuǎn)90°-Θ，再在if和所在的兩個(gè)正交方向進(jìn)行疊加，通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換矩陣即可得到考慮 了方向性的二維切削力模型：
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]式中，礦和F/分別為順纖維方向角Θ為〇° <θ<90°時(shí)的主切削力和切深抗力。 [0032]代入式（1)，式(2)進(jìn)一步計(jì)算簡(jiǎn)化可得：
[0033]
('3):
[0037] 將第一步中所得0°和90°方向上的切削比能UQ、u9Q及與切削速度V c的函數(shù)
[0034] 即，可以得到了順纖維切削（0°<θ<90°)時(shí)的基于方向性的切削比能系數(shù)：
[0035] C4)
[0036] (5) 關(guān)系式代入式(4)，式(5)，即得到以Θ方向角順纖維切削CFRP單向?qū)雍习鍟r(shí)考慮了方向性和 切削速度影響的切削比能110和<，基于方向性切削比能u0和即可得到切削力礦和(0° <θ<90°)的預(yù)測(cè)結(jié)果。
[0038]第三步，90° <θ<180°逆纖維角條件下的方向性切削力建模：
[0039]在90° <θ<180°的逆纖維切削關(guān)系時(shí)，首先在碳纖維一樹(shù)脂界面上形成0°界面分 層分離，然后失去樹(shù)脂粘結(jié)保護(hù)的纖維由于90°方向分載形成面內(nèi)彎曲應(yīng)力（σΜ)主導(dǎo)的彎 曲折斷分離?？紤]到碳纖維為硬脆材料，彎曲折斷時(shí)的變形撓度有限，因此逆纖維切削關(guān)系 時(shí)可視為由θ = 0°的平行切削關(guān)系和不受纖維方向角Θ影響的彎曲切削關(guān)