碳纤维增强复合材料单向层合板二维切削力的建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是碳纤维增强复合材料单向层合板的切削加工，具体涉及的是一种 基于方向性切削比能的碳纤维增强复合材料单向层合板二维切削力的建模方法，属于机械 切削加工技术领域。
【背景技术】
[0002] -般金属材料较为经典的二维切削力的建模主要是建立在剪切滑移假设基础上 的，认为在金属材料的切削加工过程中存在一个剪切滑移面，剪切滑移面上的工件材料达 到剪切应力极限后沿剪切角产生滑移，并形成最终的切肩。金属材料正交切削时剪切角的 较为经典的计算公式有M.E.Merchant模型和Lee and Shaffer模型。碳纤维增强复合材料 (Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP)作为最具代表性的一种先进的树脂基复 合材料，其具有比强度和比刚度大、耐腐蚀等诸多优势。CFRP单向层合板在正交切削试验过 程中的力学行为特征以及不同方向上的材料去除机理与纤维方向存在着显著的相关关系， CFRP单向层合板的二维切削力建模必须首要考虑材料的各向异性，即纤维方向角（Θ)必须 作为重要参数引入到力学模型中。目前主要的CFRP材料二维切削力建模的研究现状，可以 看到延续了金属材料的建模思路，主要以假设在CFRP材料的切削加工中仍然存在一个剪切 滑移面，并且认为CFRP材料在剪切面上的破坏是沿两个方向完成的：一个是沿0°纤维方向 的纤维一树脂界面剪切分离，一个是沿90°纤维方向的纤维剪切断裂分离。虽然此类理论模 型在一定程度上从材料去除机理上解释了 CFRP单向层合板切削时的力学行为，但受限于剪 切滑移明显不适应于逆纤维方向角的情况，因此在应用时对纤维方向有限制。另外，为扩大 模型在单向长纤维增强类材料中的适用广度，该类理论模型一般仅基于CFRP材料的力学性 能，并不引入基础切削试验的数据，使得到的切削力模型在应用时预测精度并不令人满意， 导致在指导切削工艺优化、刀具设计时缺乏定量的指导意义。
[0003] 经对现有文献检索，至今未发现基于在不同纤维方向角下切削比能的CFRP二维切 削切削力建模方法的公开报道。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，克服现有技术存在的上述不足，提供一种碳纤维增强复合材 料单向层合板二维切削力的建模方法，基于基础切削试验数据，引入对纤维方向角、切削速 度两种对切削比能影响最显著的因素的考虑，得到一种考虑了各向异性、预测精度更高、工 程实用性更强的CFRP材料切削力预测模型。
[0005] 为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] -种碳纤维增强复合材料单向层合板二维切削力的建模方法，其特征在于，所述 建模方法基于方向性切削比能建立碳纤维增强复合材料单向层合板的二维切削力模型，该 二维切削力模型中的方向性切削比能包含碳纤维增强复合材料的切断机理和由纤维方向 角所导致的碳纤维增强复合材料各向异性的因素，使所述二维切削力模型能够预测不同纤 维方向角下的二维切削力。
[0007] 进一步地，所述建模方法包括以下步骤：
[0008] 第一步，取纤维方向角Θ分别为0°、90°和135°进行碳纤维增强复合材料单向层合 板二维切削实验，获得碳纤维增强复合材料单向层合板二维切削力的建模用基础数据。
[0009] 第二步，依据第一步中纤维方向角Θ为0°和90°的切削实验所获得的基础数据，建 立任意顺纤维方向角下的碳纤维增强复合材料单向层合板的二维切削力模型。
[0010] 第三步，依据第一步中纤维方向角Θ为〇°和135°的切削实验所获得的基础数据，建 立任意逆纤维方向角下的碳纤维增强复合材料单向层合板的二维切削力模型。
[0011] 进一步地，所述的任意顺纤维方向角是指，0° < Θ <90°范围内的任一纤维方向角Θ。
[0012] 进一步地，所述的任意逆纤维方向角是指，90° <Θ < 180°范围内的任一纤维方向角Θ。 [0013]本发明的另一技术方案如下：
[0014] -种上述碳纤维增强复合材料单向层合板二维切削力的建模方法的应用，其采用 所述建模方法获得的碳纤维增强复合材料单向层合板的二维切削力模型预测切削过程中 碳纤维增强复合材料不同纤维方向角下的二维切削力，并用于碳纤维增强材料的切削刀具 的设计和制造以及切削工艺路线和参数的确定。
[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0016] 所述建模方法基于0°、90°、135°三个基本纤维方向角下的切削比能试验结果，根 据CFRP单向层合板不同纤维方向下的切削去除机理，推导了 CFRP材料的方向性切削比能公 式，并最终建立了考虑了切削速度影响的基于方向性切削比能的CFRP单向层合板二维切削 力模型。使得到的二维切削力模型具有更高的预测精度，在切削工艺优化、刀具设计方面具 有更现实的指导意义。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的顺纤维方向的CFRP单向层合板二维切削力建模的流程示意图。
[0018] 图2为本发明的逆纤维方向的CFRP单向层合板二维切削力建模的流程示意图。
【具体实施方式】
[0019] 本发明对CFRP单向层合板二维切削比能采用先离散后拟合的方法得出了 0°、90° 和135°三个纤维方向角下切削比能随速度的分布，再根据不同纤维方向角下CFRP单向层合 板二维切削机理，得到任意纤维方向角下切削比能随速度的分布，从而建立CFRP单向层合 板的二维切削力模型，并用于碳纤维增强材料的切削刀具的设计和制造以及切削工艺路线 和参数的确定。
[0020] 考虑到CFRP材料是一种各向异性显著的材料，即以不同纤维方向角Θ切削CFRP材 料时的切削比能并不相同，即可以认为是在切削完全不同的材料，因此建立考虑方向性的 CFRP单向层合板二维切削力模型需要不同Θ角条件下的切削比能，即引入考虑方向性的切 肖仳能110和<，可以得到纤维方向角Θ条件下的二维切削力模型：
[0021]
(.1)
[0022]其中，Fc为主切削力，FP为切深抗力，t和ac分别为直角自由切削的切削宽度和切削 厚度，u0为主切削力计算得到的切削比能，<为切深抗力计算得到的切深力切削比能。 [0023]本发明包括以下步骤：
[0024]第一步，分别取0°、90°和135°纤维方向角进行CFRP单向层合板二维切削实验，给 定切削厚度a。及切削宽度t，取切削速度V。为若干离散值，采用飞刀进行二维切削实验，得到 不同切削速度下主切削力F。和切深抗力匕随切削速度的变化曲线。根据式（1)可计算出0°、 90°和135°纤维方向角下主切削力及切深抗力的切削比能u和％随切削速度的变化曲线。采 用多项式对上述曲线进行拟合即得到〇°、90°和135°纤维方向角下主切削力及切深抗力的 切削比能i^Pu P与切削速度V。的函数关系式。
[0025]第二步，0° <θ<90°顺纤维角条件下的方向性切削力建模：
[0026]在0° <θ<90°的顺纤维切削关系时，可视为由θ = 〇°的平行切削关系和θ = 90°的 垂直切削关系叠加而成的应力状态:θ角越小，CFRP材料的切肩分离方式与0°的平行切削关 系相似，切肩分离较易发生；Θ角越大，CFRP材料的切肩分离方式与90°的垂直切削关系相 似，切肩分离较难发生。
[0027]如图1所示，在0°<θ<90°的顺纤维方向上，切削厚度ac可以沿纤维方向进行正交 分解，得到沿纤维0°方向的切削厚度ac · COS0和沿纤维90°方向的切削厚度ac · sine。即，可 以将切削厚度为a。、顺纤维方向角为Θ的正交切削分解为两部分:切削厚度为a。· COS0的平 行切削加工;切削厚度为a。· sin0的垂直切削加工。再考虑顺纤维切削加工中的方向性，其 中平行切削关系切削力和顺时针旋转Θ，垂直切削关系切削力和Ff)逆时针 旋转90°-Θ，再在if和所在的两个正交方向进行叠加，通过旋转变换矩阵即可得到考虑 了方向性的二维切削力模型：
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]式中，矿和F/分别为顺纤维方向角Θ为〇° <θ<90°时的主切削力和切深抗力。 [0032]代入式（1)，式(2)进一步计算简化可得：
[0033]
('3):
[0037] 将第一步中所得0°和90°方向上的切削比能UQ、u9Q及与切削速度V c的函数
[0034] 即，可以得到了顺纤维切削（0°<θ<90°)时的基于方向性的切削比能系数：
[0035] C4)
[0036] (5) 关系式代入式(4)，式(5)，即得到以Θ方向角顺纤维切削CFRP单向层合板时考虑了方向性和 切削速度影响的切削比能110和<，基于方向性切削比能u0和即可得到切削力矿和(0° <θ<90°)的预测结果。
[0038]第三步，90° <θ<180°逆纤维角条件下的方向性切削力建模：
[0039]在90° <θ<180°的逆纤维切削关系时，首先在碳纤维一树脂界面上形成0°界面分 层分离，然后失去树脂粘结保护的纤维由于90°方向分载形成面内弯曲应力（σΜ)主导的弯 曲折断分离。考虑到碳纤维为硬脆材料，弯曲折断时的变形挠度有限，因此逆纤维切削关系 时可视为由θ = 0°的平行切削关系和不受纤维方向角Θ影响的弯曲切削关