本文摘要：摘要:碳纖維增強復合材料因其具有高強度、耐高溫、耐輻射、抗化學腐蝕等特性，廣泛應用于航空航天、交通運輸、運動器材等方面。但該材料的非均勻性以及各向異性導致其在不同纖維方向角下呈現(xiàn)出不同的加工特性，對實際生產(chǎn)過程中的切削刀具壽命和工件質(zhì)量等都
摘要:碳纖維增強復合材料因其具有高強度、耐高溫、耐輻射、抗化學腐蝕等特性，廣泛應用于航空航天、交通運輸、運動器材等方面。但該材料的非均勻性以及各向異性導致其在不同纖維方向角下呈現(xiàn)出不同的加工特性，對實際生產(chǎn)過程中的切削刀具壽命和工件質(zhì)量等都有很大影響�；谔祭w維增強復合材料的纖維方向，綜述其對切削加工過程中切屑形成機理、切削力、切削溫度、刀具磨損以及加工表面質(zhì)量的影響情況，并探討了未來的研究趨勢。
關(guān)鍵詞:碳纖維增強復合材料,各向異性,纖維方向,切削力,刀具磨損
0引言
碳纖維增強復合材料(carbonfiberreinforcedplastic，CFRP)是以碳纖維為增強體、樹脂為基體的復合材料，具有高強度、耐高溫、耐輻射、抗化學腐蝕等特性，是目前最受青睞的高性能材料之一，廣泛應用在交通運輸、航空航天、運動器材等方面。一般CFRP制品均為一次整體成型，但為了滿足形狀、尺寸以及裝配需求，成型后往往需要對CFRP制品進行銑削加工[1]。然而碳纖維增強復合材料具有非均勻性和各向異性，導致其切削性能不像金屬類各向同性材料表現(xiàn)出很強的規(guī)律性，屬于典型的難加工材料。
在切削加工過程中，工件表面常會出現(xiàn)分層、毛刺、裂紋等缺陷[2]。又由于CFRP有很高的強度和硬度，銑削加工過程中，刀具易于磨損、壽命低。因此，隨著CFRP材料的使用越來越廣泛，對其切削性能的研究愈加受到重視。目前，國內(nèi)外諸多學者基于纖維鋪層方向，對CFRP的切屑形成機理和刀具磨損、表面質(zhì)量等切削性能進行了大量分析研究，為該領(lǐng)域的繼續(xù)深入探索打下堅實的基礎(chǔ)。本文綜述了纖維方向?qū)τ贑FRP切削過程中的切屑形成、切削力、切削溫度、刀具磨損及表面質(zhì)量影響的研究進展。
1切屑形成機理
CFRP屬于典型的難加工材料，在切削加工過程中，刀具擠壓材料導致碳纖維撕裂、彎曲斷裂或剪切斷裂，而樹脂發(fā)生塑性變形。因碳纖維強度極限遠遠大于樹脂，在切削過程中通常忽略對樹脂的切削而簡化地看成切削碳纖維。不同于金屬材料，CFRP材料在切削加工中幾乎不發(fā)生滑移流動等塑性變形過程。
因此，不能采用金屬材料切削機理來分析其切削過程[3]。對于CFRP材料的切削加工，在切削過程中由于擠壓、拉伸、彎曲、剪切的作用，碳纖維發(fā)生脆性斷裂，形成切屑。KOPLEV等[4]最早展開對CFRP切削加工機理的研究，在切削試驗中采用快速落刀法，發(fā)現(xiàn)CFRP脆性斷裂后形成粉末狀切屑，并且切屑不承受大的塑性變形。隨后許多學者通過一系列單向CFRP的正交切削實驗來分析其切屑形成機制[5]。
眾多學者在大部分試驗中都采用了一種新的切屑分離技術(shù)，即在切削加工之前，先在工件表面涂一層粘合橡膠水以保持復合材料“宏觀切屑”的形態(tài)[6]。這種處理方式能夠有效避免粉末切屑的出現(xiàn)。CFRP由于其顯著的各向異性，導致切屑形成與纖維方向有很大關(guān)系。定義纖維方向角θ為刀具切削方向與未切削層纖維方向所成的夾角[7]。
0°<θ<90°時為順纖維切削、90°<θ<180°時為逆纖維切削。在實際研究中，通常對纖維方向角θ取典型值，一般取θ為0°、45°、90°、135°等。N.Bhatnagar[8]及P.S.Sreejitha[9]等人理論分析了平行纖維、順纖維和逆纖維3種條件下CFRP材料的切屑形成機理，解釋了在纖維方向影響下CFRP的切屑形成機理，但缺少試驗驗證。
Wang[2]等建立了垂直纖維軸向進行切削時纖維方向影響切屑形成的模型，指出纖維方向角在≠90°時纖維的破壞形式存在差異，但模型局限于垂直切削的條件下。D.H.Wang[10]等人對CFRP材料進行正交切削試驗得到典型θ值下的切削機理:θ=0°時發(fā)生分層分離、θ=45°時發(fā)生切斷分離、θ=135°時發(fā)生彎曲剪切分離。
張厚江[11]等分析了CFRP材料的二元直角自由切削機理，根據(jù)切削時θ的不同將纖維的切斷形式分為層間分離型、纖維切斷型和彎曲斷裂型。當θ=0°時，CFRP在刀具作用下發(fā)生界面層剝分離，碳纖維被掀起的部分受到擠壓發(fā)生彎曲斷裂形成切屑。0°<θ≤90°時，碳纖維受剪切應力發(fā)生剪切斷裂，斷裂部分碳纖維沿纖維方向發(fā)生滑移形成切屑。90°<θ<180°時，由于層間結(jié)合強度較低先發(fā)生界面分層分離，而后纖維束發(fā)生彎曲斷裂形成切屑。
2纖維方向?qū)FRP切削性能的影響
由于CFRP材料具有各向異性，纖維方向的不同會導致不同的加工效果。研究人員在各個時期開展了一系列纖維方向角介于0°和180°之間的CFRP切削試驗。通過對不同纖維方向角開展切削試驗，探索出加工過程中不同纖維方向角對切削力、切削溫度、刀具磨損以及加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律。
2.1切削力
對銑削加工中切削力的分析有助于精確分析加工過程中的刀具磨損行為以及加工表面質(zhì)量。碳纖維增強了CFRP材料纖維縱向上的力學性能，但材料在橫向上的力學性能則較差，因此材料性能表現(xiàn)出顯著的各向異性[12]，顯著的各向異性也使得銑削過程中的切削力變化呈現(xiàn)出明顯的方向性。Everstine[13]等基于連續(xù)力學分析建立了CFRP在θ=0°方向的最小切削力預測模型，但所預測模型缺少實驗驗證。
Arola[14]等則通過有限元模擬了CFRP切削加工過程中各纖維方向角下的切削力，并通過試驗進行驗證。Karpat[15]等用三角函數(shù)表示θ與切削力系數(shù)的關(guān)系，給出了切削單向CFRP層合板的切削力機械模型，并使用Matlab—Simulink建立了銑削多向CFRP切削力的動態(tài)模型。張厚江[16]等對直角自由切削下單向CFRP材料的切削力進行研究，給出了纖維方向角<90°時切削力的理論計算方法。
L.C.Zhang[17-18]等基于金屬材料的二維剪切滑移模型建立了CFRP在纖維方向角<90°時的二維正交切削力模型，模型預測結(jié)果為:主切削力基本隨著θ的增大呈線性比例上升，該模型是目前解釋CFRP材料切削機理上最被認可的模型，但局限于順纖維切削的情況。G.VenuGopalaRao[19]等采用有限元建立了CFRP正交切削的二維力模型，發(fā)現(xiàn)θ<90°時切削力隨θ的增大而線性上升。
而Hocheng[20]等通過CFRP銑削試驗，對切削力進行觀察，卻發(fā)現(xiàn)切削力最大的方向出現(xiàn)在平行纖維方向。龔佑宏[21]等對單向碳纖維復合材料4種纖維方向角分別進行的銑削試驗，發(fā)現(xiàn)最大切削力在0°>45°>135°>90°。由于CFRP材料主要是縱向加強，θ=90°時碳纖維發(fā)生剪切斷裂的最大切削力小于θ=0°時發(fā)生彎曲斷裂的最大切削力。
基于眾多試驗與仿真，當纖維方向角介于0°與180°之間變化時，學者們對切削力的變化規(guī)律存在不同的說法，缺少更加統(tǒng)一被廣泛認可的解釋，因此對于CFRP切削力行為的各向異性仍有許多問題等待研究。
2.2切削溫度
碳纖維增強復合材料導熱性較差，且在沿碳纖維方向上的熱導率明顯大于垂直纖維方向，切削過程中切削溫度分布與纖維方向關(guān)系密切。切削加工過程中聚集的熱不易散發(fā)，既影響著刀具壽命，又易引起工件材料的熱損傷。
過高的溫度會導致CFRP基體材料發(fā)生碳化、軟化等變化，影響CFRP材料的強度和剛度，同時堆積的熱量會引起加工表面燒傷等缺陷，影響加工表面質(zhì)量。E.Brinksmeier[24]等采用人工熱電偶測溫的方法，對比不同溫度下CFRP切削加工表面質(zhì)量，得到碳纖維復合材料加工表面質(zhì)量受切削溫度影響極大的結(jié)論。
朱國平[25]等采用有限差分法建立了CFRP切削溫度場數(shù)學模型，進行了一系列切削試驗，發(fā)現(xiàn)切削溫度在鉆削出口平面呈橢圓形分布，橢圓長軸方向平行于碳纖維。P.S.Sreejith[26]等針對纖維方向角為0°的碳纖維復合材料，用紅外光纖傳感器測量了其切削溫度，結(jié)合通過切削力計算得到的切削比壓，從而得到了臨界切削溫度，但該研究只針對纖維方向角為0°的情況。
Zitoune.R[27]等對碳纖維復合材料進行切削試驗，發(fā)現(xiàn)纖維方向?qū)η邢鳒囟鹊挠绊懸蜃幼畲螅⑶耶斍邢鞣较虼怪庇诶w維方向時升溫現(xiàn)象最明顯。鮑永杰[28]等采用多種試驗方法與仿真相結(jié)合，基于外部加熱的模擬溫度場對CFRP切削溫度進行研究，發(fā)現(xiàn)復合材料切削加工中的溫度分布具有一定的方向性。
蔡曉江[29]等對CFRP材料進行自由切削實驗，發(fā)現(xiàn)不同纖維方向下的切削熱表現(xiàn)出明顯差異:切削溫度最大值出現(xiàn)在纖維方向角θ為90°時;當θ<90°時切削溫度隨θ的增大呈線性增長;θ>90°時，切削溫度隨θ的增大先發(fā)生快速下降，在θ=165°時略有回升，總體呈下降趨勢。
切削溫度影響著刀具的使用壽命以及工件的加工表面質(zhì)量，但針對CFRP切削加工過程中切削溫度的理論研究較少，相關(guān)試驗及建模較復雜，關(guān)于切削溫度與纖維方向變化關(guān)系的研究更是少見，需要進一步對CFRP切削溫度進行相關(guān)研究。
2.3刀具磨損
CFRP材料具有非常高的硬度(碳纖維的硬度約648Hv[30])，在切削加工過程中產(chǎn)生的大量熱不易發(fā)散，形成局部高溫，因此加工過程中對刀具的磨損較嚴重。刀具的磨損直接影響著刀具壽命及工件加工表面質(zhì)量。因此有必要對CFRP切削加工過程中的刀具磨損行為進行深入探索�；ㄆ樯熳鞯萚31]對CFRP材料切削加工過程中發(fā)生的刀具磨損行為進行了研究。對于CFRP材料的切削加工，從摩擦磨損行為上來看主要發(fā)生磨粒磨損，從刀具的磨損位置來看主要是后刀面磨損[32]。
切削加工過程中，粉末狀的切屑在刀具后刀面以及加工表面之間的移動易在刀具后刀面形成劃痕，大量碳纖維粉末切屑形成的循環(huán)接觸應力使得后刀面發(fā)生疲勞破壞，刀具表面發(fā)生脆性斷裂或材料剝離，導致裂紋或凹坑的生成[33]。后刀面的磨損導致切削過程中切削力的變化，最終影響到工件表面質(zhì)量[34]。
ClausDold等[35]則用不同刀具對CFRP進行切削加工，并對加工特性進行比較，發(fā)現(xiàn)纖維方向?qū)Φ毒吣p有巨大影響。Hosokawa.A[36]等對CFRP單向?qū)雍习暹M行切削加工，發(fā)現(xiàn)不同纖維方向下刀具的磨損情況不同，且刀具磨損量大小變化與切削力大小變化關(guān)系一致。王志超等[37]通過選用4種典型纖維方向角對CFRP單向?qū)雍习暹M行銑削試驗發(fā)現(xiàn)刀具磨損量在不同纖維方向角θ時體現(xiàn)出規(guī)律性，刀具磨損量在0°>45°>135°>90°。
龔佑宏[21]等通過對單向碳纖維復合材料的銑削試驗同樣得到這個影響規(guī)律，分析認為主要是加工過程中的新生表面受到擠壓之后發(fā)生回彈，纖維束回彈加劇對刀具的摩擦造成后刀面磨損。θ=0°時纖維的回彈量最大，導致后刀面上發(fā)生的磨損相應最嚴重。
θ=90°時，因CFRP材料強度等性能主要在沿纖維方向上增強，纖維剪切斷裂回彈不明顯，故刀具磨損相應較輕微。CFRP材料切削加工中刀具磨損嚴重，通常采用高耐磨性、高硬度的刀具材料或涂層刀具(例如PCD刀具和硬質(zhì)合金刀具)，以延長刀具壽命，在CFRP材料的切削加工中較大程度的改善其加工表面質(zhì)量。
2.4表面質(zhì)量
碳纖維復合材料是典型的難加工材料，由于其硬脆的特性，加工過程中CFRP材料所受載荷超過其強度極限時發(fā)生脆性破壞，易在加工表面及次表面殘留微裂紋[38]。其層間強度低、非均勻性、各向異性等特性導致CFRP在切削加工過程中易于發(fā)生層間分層、毛刺、撕裂等缺陷，嚴重影響加工表面質(zhì)量。T.Geis[39]等則在銑削加工CFRP時，先在加工表面邊緣預加工出凹槽，此方法有效減少了CFRP切削加工中的分層、毛刺等缺陷。
KoplevA[40]等人最早展開CFRP材料在典型纖維方向的正交切削試驗，發(fā)現(xiàn)θ=90°進行切削時，未被切斷的纖維束在刀具載荷作用下彎曲撕裂，從而在新生表面產(chǎn)生裂紋;而θ=0°進行加工時未在新生表面發(fā)現(xiàn)裂紋;故得到θ=0°進行切削加工的工件表面質(zhì)量較θ=90°時好的結(jié)論。Wern[41]等人則對CFRP切削的切削力進行分析，發(fā)現(xiàn)在不同纖維方向下進行切削時纖維的破壞形式不同。
D.H.Wang[10]等人擴大研究范圍，進行了0°≤θ≤180°之間的CFRP正交切削試驗，對加工表面粗糙度進行測量后發(fā)現(xiàn)，當θ介于15°到60°之間時，表面粗糙度能夠控制在1μm與1.5μm之間，而θ>60°之后材料加工表面質(zhì)量急劇下降。
X.M.Wang[42]等也進行了正交切削試驗研究不同θ下CFRP材料的加工表面特征，發(fā)現(xiàn)當纖維方向角超過90°時會造成加工表面損傷，表面層材料發(fā)生明顯的機械性形變。CFRP在不同纖維方向角時的加工表面存在較大差異，El-HofyMH等人對不同纖維方向角下的切削表面分析:0°時纖維束切口整齊;45°時彎曲、折斷的纖維使得切削表面不如0°時;90°、135°時存在纖維拔出現(xiàn)象。
蔡曉江[10]等在對CFRP的切削試驗中發(fā)現(xiàn):θ<45°時工件加工表面質(zhì)量較好，表面粗糙度小，輪廓平滑;θ>135°時，加工表面質(zhì)量急劇下降，并出現(xiàn)沿纖維方向向CFRP材料基體內(nèi)部擴展裂紋的趨勢。CFRP切削加工中，纖維方向是影響加工表面質(zhì)量的主要因素之一，不同纖維方向下工件的加工表面形貌存在較大差異，因此為了得到較好的表面質(zhì)量，進行切削加工時的纖維鋪層方向應得到重視。
3結(jié)語
近年來碳纖維增強復合材料的應用前景愈加廣闊，正廣泛使用于各個領(lǐng)域，國內(nèi)外學者對其切削性能的研究取得了較為豐碩的成果。本文主要對碳纖維復合材料的纖維方向?qū)ζ淝邢鳈C理及切削性能的影響研究進行綜述，主要包括纖維方向?qū)η邢鬟^程中的切屑形成、切削力、切削溫度、刀具磨損以及表面質(zhì)量的影響研究。在此過程中發(fā)現(xiàn)還有許多問題值得進一步深入研究:
1)文獻中關(guān)于CFRP切削加工中切削力的相關(guān)研究主要集中在纖維方向在90°內(nèi)的情況，且不同纖維方向下的變化行為缺少更加全面具有說服力的解釋，關(guān)于CFRP切削力的各向異性仍有較多挑戰(zhàn)。
2)從纖維方向?qū)η邢髁εc刀具磨損的影響規(guī)律可以看出兩者呈現(xiàn)出一定的相似性，在后續(xù)的研究中可以進一步探索纖維方向?qū)Χ哂绊懸?guī)律的內(nèi)在聯(lián)系，建立二者關(guān)系模型，基于切削力信號準確預測刀具磨損行為。
3)CFRP材料切削加工過程中刀具的磨損較為嚴重，而目前適用于加工碳纖維復合材料的金剛石刀具價格十分昂貴，PCD刀具的制作成本高昂且難以成型，這些都要求繼續(xù)尋找、開發(fā)耐磨性更好、經(jīng)濟效益更高的刀具材料。
4)目前對CFRP切削熱的研究相對較少，應對其進行深入研究，探索切削熱對刀具磨損及加工損傷的影響機理，建立完善的溫度分布模型。
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材料方向論文范文：纖維材料論文酚醛環(huán)氧樹脂復合材料性能
摘要：纖維增強復合材料簡稱FRP，這種材料中有較大的強度和較良好的耐久性，這是其他材料都無法比擬的。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料相比其他材料具有較好的耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)量輕等特點。文章對玻璃纖維布及碳纖維布增強酚醛環(huán)氧樹脂復合材料性能進行了研究。
關(guān)鍵詞：玻璃纖維布;碳纖維布;復合材料;力學性能;纖維
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