[发明专利]CFRP不同速度直角切削面下损伤深度的预测方法

说明书

本发明CFRP不同速度直角切削面下损伤深度的预测方法属于CFRP切削加工领域，涉及一种CFRP不同速度直角切削面下损伤深度的预测方法。该方法运用有限元仿真技术，采用多相建模的方法，建立了包含纤维相、树脂相、界面相以及等效均质相的CFRP三维细观直角切削模型。模型考虑了树脂及界面材料的应变率效应，包含不同应变率下材料属性的变化。所建模型依据实际情况设置刀具进给及工件固定等边界条件，通过计算该仿真模型，预测了CFRP不同速度直角切削时的面下损伤深度。该方法建立了考虑树脂及界面应变率效应的CFRP细观直角切削仿真模型，实现了不同速度下CFRP直角切削的仿真，获得了不同速度下CFRP直角切削的面下损伤情况，以指导损伤的抑制以及加工参数的优化。

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料切削加工领域，涉及一种碳纤维复合材料不同速度直角切削面下损伤深度的预测方法。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀等特点，因而被广泛应用于航空、航天、汽车制造等领域。而由于CFRP细观上由碳纤维增强相和树脂基体相构成，且各相材料属性差异巨大，纤维相强度极高而树脂相较弱。因此，在CFRP切削过程中极易在加工面下方出现纤维拔出、凹坑或纤维树脂剥离等损伤，严重影响工件强度及寿命。为了抑制上述面下损伤，需要研究CFRP不同切削条件下面下损伤的形成情况，预测面下损伤的深度。现阶段针对面下损伤的影响因素：纤维方向、切削深度等已经进行了大量研究，但是大都集中于10mm/s的低速切削。而实际加工中常采用的铣削、钻削等，切削速度很大，很多情况下达到1m/s及以上，不同速度下CFRP的去除机理及面下损伤情况尚缺乏有效分析。因此，还需要深入研究不同速度下CFRP切削的加工过程，揭示切削速度等对面下损伤的影响及其原因，预测不同速度加工CFRP时面下损伤的深度，以指导损伤的抑制及加工参数的优化。

2018年Wang等在《Applied Composite Materials》杂志发表的“Computation ofthe distribution of the fiber-matrix interface cracks in the edge trimming ofCFRP”通过实验的方法探究了0.05m/s，0.5m/s以及1.5m/s的速度下CFRP直角切削中切削速度与面下损伤的关系，并确定了二者之间的多项式拟合关系曲线。但是通过实验方法进行上述研究，需进行大量实验，时间和材料成本很高；同时，切削速度对面下损伤的影响及其原因的研究需要CFRP细观尺度的观测，而相应实验观测过程极为繁复，且针对不同材料种类和结构的CFRP需重复进行切削实验才能拟合切削速度和面下损伤的关系曲线。

2014年Zenia等在《International Journal of Mechanical Sciences》杂志发表的“Numerical prediction of the chip formation process and induced damageduring the machining of carbon/epoxy composites”将工件等效为均质材料，从整体上考虑了材料的塑性，建立了CFRP二维宏观直角切削模型，研究了不同纤维切削角下面下损伤的变化规律，发现90°是临界角度，产生的损伤最严重；同时，研究了6m/min，30m/min和60m/min速度下面下损伤与切削力的变化情况，发现切削速度对切削力及面下损伤影响不大。该结论与实验所得结果不太相符，应该考虑不同切削速度下，尤其是高速切削时材料属性变化的影响。

发明内容