陳文翔 張 旭

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

文 摘 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）在傳統(tǒng)加工（OC）過程中存在著切削力過大、表面質(zhì)量不佳、面下?lián)p傷較為嚴(yán)重等問題。為了改善上述問題，本文提出使用超聲振動輔助切削（UVC）工藝加工CFRP，通過仿真分析對切削力與面下?lián)p傷深度進(jìn)行研究。結(jié)果表明：使用UVC 加工CFRP 可降低13%～80%的切削力，且纖維方向角對切削力影響較小。與OC 相比，UVC 切削0°、45°纖維方向角的CFRP 時可以減少約50%的面下?lián)p傷深度；在切削90°、135°纖維方向角的CFRP時雖然沒有改善面下?lián)p傷深度，但取得了較為平整的已加工表面以及較小的損傷區(qū)域。

0 引言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）是一種新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，具有高比強(qiáng)度、耐磨損、耐腐蝕等特性，被廣泛應(yīng)用于汽車高鐵、航空航天、醫(yī)療器械、體育器材等領(lǐng)域［1-4］。但該材料的成型方式通常與最終形狀有一定差距，因此需要通過銑削、鉆孔等方式進(jìn)行加工。由于樹脂基與碳纖維的性能差異較大，因此CFRP 具有非均勻性與各向異性，加工時，若應(yīng)力過大，超過增強(qiáng)相與基體的結(jié)合強(qiáng)度，碳纖維與樹脂基體就會產(chǎn)生分層現(xiàn)象，導(dǎo)致纖維拉出、纖維脫落、基體失去支撐開裂，這都是材料內(nèi)部出現(xiàn)次表面損傷的重要原因。面下?lián)p傷會降低復(fù)合結(jié)構(gòu)材料性能，進(jìn)而縮短使用壽命［5］。

在研究CFRP 分層缺陷方面，學(xué)者們進(jìn)行過大量研究，LIU D F 等［6］通過實驗發(fā)現(xiàn)分層現(xiàn)象與鉆削軸向力和鉆削熱有關(guān)。YIN J等［7］認(rèn)為隨著纖維角度增大而增大的切削力是導(dǎo)致面下?lián)p傷深度增加的主要原因，包括切削力過大導(dǎo)致的基體開裂和擴(kuò)展。為了減小加工中的切削力而減少分層現(xiàn)象，O.Isbilir等［8］研究發(fā)現(xiàn)切削速度與進(jìn)給速度的增大會加劇CFRP 的分層現(xiàn)象。李文鵬等［9］對比了切削深度與CFRP 所受最大應(yīng)力的關(guān)系。董志剛等［10］從理論上分析了螺旋銑孔加工CFRP 中切削力的抑制方法。王濤等［11］建立了銑削CFRP 的切削力模型，結(jié)果表明在一定角度下，未切削區(qū)域的材料損傷也會發(fā)生。何春伶等［12］通過研究雙頂角鉆尖幾何參數(shù)降低鉆削CFRP 時的軸向力和制孔分層的影響，并建立了軸向力預(yù)測模型。

大量研究表明，切削力是導(dǎo)致分層現(xiàn)象的重要因素，而超聲振動加工作為一種新興加工方式，在難加工材料方面得到了廣泛應(yīng)用，如Ti6Al4V，不銹鋼，鎳鉻合金［13-16］。LU Y 等［17］使用超聲振動系統(tǒng)對CFRP 進(jìn)行了鉆孔實驗，發(fā)現(xiàn)切削力相較于傳統(tǒng)鉆孔減少了20%，但沒有對已加工表面的面下?lián)p傷進(jìn)行研究，因此有必要對超聲振動切削能否改善CFRP 的加工質(zhì)量進(jìn)行研究。

本文建立基于Hashin 失效準(zhǔn)則的CFRP 單向板宏觀模型，通過切削力驗證該模型的正確性。將傳統(tǒng)切削的載荷改為超聲振動載荷，據(jù)此研究超聲振動切削CFRP 時的切削力與面下?lián)p傷，并與傳統(tǒng)切削方式進(jìn)行比較。

1 CFRP工件模型

1.1 材料屬性

采用單向碳纖維環(huán)氧樹脂，其材料參數(shù)性能如表1所示［18］。

1.2 材料失效模型

切削宏觀CFRP 時采用的是二維Hashin 失效準(zhǔn)則，該失效準(zhǔn)則通常用來描述宏觀彈性-脆性材料的纖維拉伸失效、纖維壓縮失效、基體拉伸失效和基體壓縮失效，判定失效公式定義如下：

式中σ11表示沿纖維方向的有效應(yīng)力，σ22表示垂直纖維軸向的有效應(yīng)力，τ12表示鋪層間的剪切應(yīng)力。

1.3 工件與刀具建模

圖1是仿真所使用的模型。該模型使用商業(yè)有限元分析軟件ABAQUS建立，刀具的前角γ和后角α均為10°，刀尖鈍圓半徑為0.01 mm，工件尺寸為1 mm × 2 mm。通過“指派材料方向”命令定義纖維的角度。由于CFRP的碳纖維方向不固定，許多學(xué)者進(jìn)行研究時主要探討了四種典型的纖維角度：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）在加工時的切削機(jī)理［19］，將纖維方向角（θ）定義為未加工部分的碳纖維軸向與切削速度方向之間的夾角［20］，本文中也采用此方法。

圖1 二維切削模型Fig.1 Two-dimensional simulation model

1.4 仿真設(shè)置

圖2展示了超聲振動加工示意圖。

圖2 超聲振動加工示意圖Fig.2 The sketch of ultrasonic vibration cutting

模型采用動力學(xué)顯示求解器分析，對工件與刀具的劃分網(wǎng)格方法均為平面應(yīng)力減縮積分單元（CPS4R），單元最小尺寸為5 μm，共生成了16 000 個單元。由于不考慮刀具磨損和溫度場，刀具設(shè)置為剛體。切削速度v=6 m/min，切削深度ap=50 μm。在普通切削模型中，工件固定，刀具以固定速度沿x軸的負(fù)方向移動。在UVC 模型中，通過在刀具上施加周期性速度載荷，使刀具在以固定速度移動的同時沿x軸做振幅a=10 μm的振動。

1.5 摩擦模型

采用庫侖摩擦模型模擬了刀具與工件之間的連接關(guān)系。摩擦模型定義如下：

式中，σn是刀具-切屑接觸的模型法向應(yīng)力，μ是摩擦因數(shù)，τf是剪切應(yīng)力，τmax是剪切應(yīng)力的最大值。根據(jù)文獻(xiàn)［21］，文中整個工件的摩擦因數(shù)為0.3，一旦達(dá)到界面處的最大應(yīng)力，刀具與工件之間的摩擦狀態(tài)從黏著摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ痢?/p>

1.6 模型驗證

為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用仿真軟件根據(jù)TAN R K［21］的實驗條件建立了OC 仿真模型，所有切削參數(shù)均與該實驗一致：切削速度v=6 m/min，切削深度ap=20 μm，纖維夾角θ=45°。通過比較切削力，驗證了模型的準(zhǔn)確性。驗證結(jié)果如圖3所示，實驗所得的主切削力平均值為43.8 N/mm，仿真平均值為40.43 N/mm，兩者平均切削力誤差為7.7%，可以視為在考慮假設(shè)條件下的合理范圍內(nèi)。

圖3 實驗與仿真主切削力對比圖Fig.3 Comparison of experimental and simulated main cutting forces

2 結(jié)果與討論

2.1 切削力

圖4展示了通過仿真得到的傳統(tǒng)切削與直線超聲振動切削兩種加工方式下切削力隨纖維角度θ變化的折線圖。

圖4 切削力隨纖維方向角θ的變化規(guī)律Fig.4 Cutting force changing with the fiber direction angle θ

在使用傳統(tǒng)切削方式加工CFRP時，隨著纖維角度的增加，切削力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，其中在0°纖維角時切削力最大為37.95 N，在90°纖維角時切削力最小為15.9 N，在45°與135°纖維角時切削力接近。這符合CFRP的材料特性，即碳纖維的拉壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于剪切強(qiáng)度，因此材料更容易在垂直于纖維的方向斷裂，而在沿纖維方向強(qiáng)度大，加工所需切削力也大。

在對刀具施加直線超聲振動載荷后，所有纖維角度下的切削力均有不同程度降低，其中在0°纖維角時切削力降低幅度最大，約為傳統(tǒng)切削的1/5，這可以解釋為在切削該纖維方向時，類似于加工均質(zhì)材料，由于刀具與工件間歇性接觸，降低了平均切削力，除此之外，直線超聲振動的瞬時切削速度遠(yuǎn)大于同樣條件下的傳統(tǒng)加工，銳化了刀具，同時動能也更大，使材料更容易破碎；在90°纖維角時切削力降低幅度最小，僅減小了13%。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，90°方向纖維角的工件在兩種加工方式下，表現(xiàn)出了相同的特征，即工件均剝離了遠(yuǎn)超切削距離的切屑，如圖5所示?？梢钥闯龀曊駝痈淖兞斯ぜ?yīng)力分布：UVC 產(chǎn)生的加工應(yīng)力均分布在脫離工件的切屑上，而OC 所產(chǎn)生的應(yīng)力已經(jīng)擴(kuò)展到了未加工區(qū)域。對仿真過程進(jìn)行觀察，在刀具切削時工件所受應(yīng)力增大，刀具回退時工件所受應(yīng)力減小。結(jié)合超聲振動特性可知這主要體現(xiàn)了UVC的分離特性，高頻的分離與極短的切削時間使得切屑有一定的時間恢復(fù)形變。

圖5 同樣切削距離下90° CFRP的應(yīng)力分布Fig.5 The stress distribution of 90° CFRP at same cutting distance

對工件上的Von Mises 應(yīng)力進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，工件加工區(qū)域的應(yīng)力分布最大值：OC 是342.5 N，UVC 是748.2 N，UVC 約是OC 的220%。切削距離為51.8 μm 時，UVC 與OC 均已生成了較為完整的切屑，兩種方式獲得的切屑長度相差0.1 mm，約為切削距離的一倍。分析認(rèn)為這主要是UVC 的沖擊特性與分離特性的效果，較大的動能與較短的切削時間既能完成切屑的去除，又能減小切屑長度，保證未加工區(qū)域的完整性。

此外，由于纖維被剪斷所需的切削力都很小，因此UVC 的降低效果不明顯。圖6 提取了與前刀面接觸部分（圖5箭頭指向區(qū)域）的切屑所受應(yīng)力，可以看到兩種方式的差別并不大。

圖6 切屑與前刀面接觸部分的應(yīng)力Fig.6 Stress of the contact part between chip and rake face

2.2 面下?lián)p傷

在CFRP 的加工過程中，一般以切削深度的水平面視為分界線，水平面上的基體與纖維失效屬于切屑的形成部分，水平面下的基體與纖維失效屬于面下?lián)p傷。圖7展示了兩種加工方式下，不同纖維角度的CFRP 材料的面下?lián)p傷仿真結(jié)果，圖8 對其進(jìn)行了具體的比較。面下?lián)p傷包括由于外力作用導(dǎo)致纖維拔脫粘、界面分離、基體開裂。其中在纖維受力至發(fā)生斷裂的過程中，基體作為連續(xù)的部分，承擔(dān)了材料變形時應(yīng)力的傳遞作用，而基體的強(qiáng)度通常小于碳纖維，所以面下?lián)p傷一般表現(xiàn)為基體拉伸失效［22］。以ABAQUS 中的HSNMTCRT（Hashin's matrix tensile damage initiation criterion），即Hashin 基體拉伸破壞損傷準(zhǔn)則表示面下?lián)p傷的程度，當(dāng)該值等于1時就表示該區(qū)域發(fā)生了基體拉伸失效類型的面下?lián)p傷。用dfailure表示面下?lián)p傷深度，定義為已加工表面到發(fā)生基體拉伸失效類型的面下?lián)p傷失效區(qū)域的最遠(yuǎn)垂直距離［23］。由于邊界固定條件會對面下?lián)p傷的形成造成干擾，因此統(tǒng)計時主要選取受到刀具作用形成的損傷區(qū)域。

圖7 OC與UVC加工CFRP的面下?lián)p傷深度仿真結(jié)果Fig.7 The simulation result of subsurface damage in cutting CFRP with OC and UVC

從圖7 可以看出，θ=0°時，兩種加工方式得到的已加工表面特征相似，面下?lián)p傷區(qū)域連續(xù)，深度較為一致，UVC 的損傷深度較OC 減小了約47.8%。θ=45°時，OC 面下?lián)p傷區(qū)域分布與UVC 相比較為起伏，改變加工方法后損傷深度減少了約53.8%，并且從圖7 模型的遠(yuǎn)離表面部分可以看出UVC 加工時，工件內(nèi)部幾乎沒有基體拉伸損傷。θ=90°時，由于纖維方向與切削方向垂直，加工時纖維主要受到剪切作用力，因此切屑斷裂面較為完整，形成了質(zhì)量較好的已加工面，同時面下?lián)p傷區(qū)域分散，UVC 的損傷深度較OC 增加了35%。分析發(fā)現(xiàn)，由于此時切屑形成所需切削力較小，而UVC 的瞬時切削力又大于OC，使得切削深度水平面以下的纖維也發(fā)生斷裂，形成凹坑，因為基體拉伸損傷區(qū)域也更深，除此之外，UVC切削時切屑形成較快，可以看到在工件已加工表面上有后半部分都是平整的表面。θ=135°時，兩種加工方式下的損傷區(qū)域大多沿著纖維方向擴(kuò)展，表現(xiàn)出有規(guī)律變化，損傷深度差別不大，但是損傷區(qū)域明顯縮小。

3 結(jié)論

（1）UVC 加工CFRP 時的切削力總體上小于OC加工。隨著纖維方向角在0°～135°變化，兩種加工方式產(chǎn)生了截然不同的切削力變化趨勢：OC 的切削力先減后增，而UVC 的切削力先增后減。纖維方向角對切削力的影響較小。UVC的切削力降低作用在θ=0°時效果最好，在θ=90°時效果最差。

（2）兩種加工方式下的面下?lián)p傷表現(xiàn)出較好的一致性。隨著θ增加，最大面下?lián)p傷深度呈“減、增、減”的變化趨勢。在切削0°、45°纖維方向角時可以起到明顯的改善作用，135°時無改善，在90°時則會加深面下?lián)p傷。

（3）由于纖維方向角的CFRP 加工效果最差，結(jié)合切削力與面下?lián)p傷深度對其加工過程做了進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)主要是UVC 的分離特性與沖擊特性對加工過程產(chǎn)生了積極的影響，包括應(yīng)力的集中、刀具的銳化、未加工區(qū)域的完整性、已加工表面質(zhì)量。

綜上所述，在切削CFRP 時，UVC 的加工特性可以起到降低切削力、減小面下?lián)p傷深度的效果，但是需要避免用于90°纖維方向角的CFRP。UVC 的切削性能仍然與纖維方向角有顯著關(guān)系。