本文摘要：摘要:碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐輻射、抗化學(xué)腐蝕等特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)器材等方面。但該材料的非均勻性以及各向異性導(dǎo)致其在不同纖維方向角下呈現(xiàn)出不同的加工特性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的切削刀具壽命和工件質(zhì)量等都
摘要:碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐輻射、抗化學(xué)腐蝕等特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)器材等方面。但該材料的非均勻性以及各向異性導(dǎo)致其在不同纖維方向角下呈現(xiàn)出不同的加工特性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(qiáng)復(fù)合材料的纖維方向，綜述其對(duì)切削加工過(guò)程中切屑形成機(jī)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(lái)的研究趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞:碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料(carbonfiberreinforcedplastic，CFRP)是以碳纖維為增強(qiáng)體、樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐輻射、抗化學(xué)腐蝕等特性，是目前最受青睞的高性能材料之一，廣泛應(yīng)用在交通運(yùn)輸、航空航天、運(yùn)動(dòng)器材等方面。一般CFRP制品均為一次整體成型，但為了滿(mǎn)足形狀、尺寸以及裝配需求，成型后往往需要對(duì)CFRP制品進(jìn)行銑削加工[1]。然而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有非均勻性和各向異性，導(dǎo)致其切削性能不像金屬類(lèi)各向同性材料表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性，屬于典型的難加工材料。
在切削加工過(guò)程中，工件表面常會(huì)出現(xiàn)分層、毛刺、裂紋等缺陷[2]。又由于CFRP有很高的強(qiáng)度和硬度，銑削加工過(guò)程中，刀具易于磨損、壽命低。因此，隨著CFRP材料的使用越來(lái)越廣泛，對(duì)其切削性能的研究愈加受到重視。目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者基于纖維鋪層方向，對(duì)CFRP的切屑形成機(jī)理和刀具磨損、表面質(zhì)量等切削性能進(jìn)行了大量分析研究，為該領(lǐng)域的繼續(xù)深入探索打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文綜述了纖維方向?qū)τ贑FRP切削過(guò)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(jìn)展。
1切屑形成機(jī)理
CFRP屬于典型的難加工材料，在切削加工過(guò)程中，刀具擠壓材料導(dǎo)致碳纖維撕裂、彎曲斷裂或剪切斷裂，而樹(shù)脂發(fā)生塑性變形。因碳纖維強(qiáng)度極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樹(shù)脂，在切削過(guò)程中通常忽略對(duì)樹(shù)脂的切削而簡(jiǎn)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(dòng)等塑性變形過(guò)程。
因此，不能采用金屬材料切削機(jī)理來(lái)分析其切削過(guò)程[3]。對(duì)于CFRP材料的切削加工，在切削過(guò)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(kāi)對(duì)CFRP切削加工機(jī)理的研究，在切削試驗(yàn)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(xué)者通過(guò)一系列單向CFRP的正交切削實(shí)驗(yàn)來(lái)分析其切屑形成機(jī)制[5]。
眾多學(xué)者在大部分試驗(yàn)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(fù)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(dǎo)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(shí)為順纖維切削、90°<θ<180°時(shí)為逆纖維切削。在實(shí)際研究中，通常對(duì)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(jī)理，解釋了在纖維方向影響下CFRP的切屑形成機(jī)理，但缺少試驗(yàn)驗(yàn)證。
Wang[2]等建立了垂直纖維軸向進(jìn)行切削時(shí)纖維方向影響切屑形成的模型，指出纖維方向角在≠90°時(shí)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(duì)CFRP材料進(jìn)行正交切削試驗(yàn)得到典型θ值下的切削機(jī)理:θ=0°時(shí)發(fā)生分層分離、θ=45°時(shí)發(fā)生切斷分離、θ=135°時(shí)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(jī)理，根據(jù)切削時(shí)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(dāng)θ=0°時(shí)，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(shí)，碳纖維受剪切應(yīng)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(shí)，由于層間結(jié)合強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致不同的加工效果。研究人員在各個(gè)時(shí)期開(kāi)展了一系列纖維方向角介于0°和180°之間的CFRP切削試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)不同纖維方向角開(kāi)展切削試驗(yàn)，探索出加工過(guò)程中不同纖維方向角對(duì)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(duì)銑削加工中切削力的分析有助于精確分析加工過(guò)程中的刀具磨損行為以及加工表面質(zhì)量。碳纖維增強(qiáng)了CFRP材料纖維縱向上的力學(xué)性能，但材料在橫向上的力學(xué)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(guò)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(xué)分析建立了CFRP在θ=0°方向的最小切削力預(yù)測(cè)模型，但所預(yù)測(cè)模型缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
Arola[14]等則通過(guò)有限元模擬了CFRP切削加工過(guò)程中各纖維方向角下的切削力，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)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(jī)械模型，并使用Matlab—Simulink建立了銑削多向CFRP切削力的動(dòng)態(tài)模型。張厚江[16]等對(duì)直角自由切削下單向CFRP材料的切削力進(jìn)行研究，給出了纖維方向角<90°時(shí)切削力的理論計(jì)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(shí)的二維正交切削力模型，模型預(yù)測(cè)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(jī)理上最被認(rèn)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(shí)切削力隨θ的增大而線性上升。
而Hocheng[20]等通過(guò)CFRP銑削試驗(yàn)，對(duì)切削力進(jìn)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(duì)單向碳纖維復(fù)合材料4種纖維方向角分別進(jìn)行的銑削試驗(yàn)，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(qiáng)，θ=90°時(shí)碳纖維發(fā)生剪切斷裂的最大切削力小于θ=0°時(shí)發(fā)生彎曲斷裂的最大切削力。
基于眾多試驗(yàn)與仿真，當(dāng)纖維方向角介于0°與180°之間變化時(shí)，學(xué)者們對(duì)切削力的變化規(guī)律存在不同的說(shuō)法，缺少更加統(tǒng)一被廣泛認(rèn)可的解釋?zhuān)虼藢?duì)于CFRP切削力行為的各向異性仍有許多問(wèn)題等待研究。
2.2切削溫度
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料導(dǎo)熱性較差，且在沿碳纖維方向上的熱導(dǎo)率明顯大于垂直纖維方向，切削過(guò)程中切削溫度分布與纖維方向關(guān)系密切。切削加工過(guò)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(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致CFRP基體材料發(fā)生碳化、軟化等變化，影響CFRP材料的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)堆積的熱量會(huì)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(cè)溫的方法，對(duì)比不同溫度下CFRP切削加工表面質(zhì)量，得到碳纖維復(fù)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(guó)平[25]等采用有限差分法建立了CFRP切削溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了一系列切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切削溫度在鉆削出口平面呈橢圓形分布，橢圓長(zhǎng)軸方向平行于碳纖維。P.S.Sreejith[26]等針對(duì)纖維方向角為0°的碳纖維復(fù)合材料，用紅外光纖傳感器測(cè)量了其切削溫度，結(jié)合通過(guò)切削力計(jì)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(duì)纖維方向角為0°的情況。
Zitoune.R[27]等對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維方向?qū)η邢鳒囟鹊挠绊懸蜃幼畲螅⑶耶?dāng)切削方向垂直于纖維方向時(shí)升溫現(xiàn)象最明顯。鮑永杰[28]等采用多種試驗(yàn)方法與仿真相結(jié)合，基于外部加熱的模擬溫度場(chǎng)對(duì)CFRP切削溫度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)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(duì)CFRP材料進(jìn)行自由切削實(shí)驗(yàn)，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(shí);當(dāng)θ<90°時(shí)切削溫度隨θ的增大呈線性增長(zhǎng);θ>90°時(shí)，切削溫度隨θ的增大先發(fā)生快速下降，在θ=165°時(shí)略有回升，總體呈下降趨勢(shì)。
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(duì)CFRP切削加工過(guò)程中切削溫度的理論研究較少，相關(guān)試驗(yàn)及建模較復(fù)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(jiàn)，需要進(jìn)一步對(duì)CFRP切削溫度進(jìn)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(guò)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(guò)程中對(duì)刀具的磨損較嚴(yán)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(duì)CFRP切削加工過(guò)程中的刀具磨損行為進(jìn)行深入探索�；ㄆ樯熳鞯萚31]對(duì)CFRP材料切削加工過(guò)程中發(fā)生的刀具磨損行為進(jìn)行了研究。對(duì)于CFRP材料的切削加工，從摩擦磨損行為上來(lái)看主要發(fā)生磨粒磨損，從刀具的磨損位置來(lái)看主要是后刀面磨損[32]。
切削加工過(guò)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(dòng)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(yīng)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(dǎo)致裂紋或凹坑的生成[33]。后刀面的磨損導(dǎo)致切削過(guò)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(duì)CFRP進(jìn)行切削加工，并對(duì)加工特性進(jìn)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(duì)CFRP單向?qū)雍习暹M(jìn)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(guò)選用4種典型纖維方向角對(duì)CFRP單向?qū)雍习暹M(jìn)行銑削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)刀具磨損量在不同纖維方向角θ時(shí)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(guò)對(duì)單向碳纖維復(fù)合材料的銑削試驗(yàn)同樣得到這個(gè)影響規(guī)律，分析認(rèn)為主要是加工過(guò)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(duì)刀具的摩擦造成后刀面磨損。θ=0°時(shí)纖維的回彈量最大，導(dǎo)致后刀面上發(fā)生的磨損相應(yīng)最嚴(yán)重。
θ=90°時(shí)，因CFRP材料強(qiáng)度等性能主要在沿纖維方向上增強(qiáng)，纖維剪切斷裂回彈不明顯，故刀具磨損相應(yīng)較輕微。CFRP材料切削加工中刀具磨損嚴(yán)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(zhǎng)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(fù)合材料是典型的難加工材料，由于其硬脆的特性，加工過(guò)程中CFRP材料所受載荷超過(guò)其強(qiáng)度極限時(shí)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(qiáng)度低、非均勻性、各向異性等特性導(dǎo)致CFRP在切削加工過(guò)程中易于發(fā)生層間分層、毛刺、撕裂等缺陷，嚴(yán)重影響加工表面質(zhì)量。T.Geis[39]等則在銑削加工CFRP時(shí)，先在加工表面邊緣預(yù)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(kāi)CFRP材料在典型纖維方向的正交切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)θ=90°進(jìn)行切削時(shí)，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(jìn)行加工時(shí)未在新生表面發(fā)現(xiàn)裂紋;故得到θ=0°進(jìn)行切削加工的工件表面質(zhì)量較θ=90°時(shí)好的結(jié)論。Wern[41]等人則對(duì)CFRP切削的切削力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在不同纖維方向下進(jìn)行切削時(shí)纖維的破壞形式不同。
D.H.Wang[10]等人擴(kuò)大研究范圍，進(jìn)行了0°≤θ≤180°之間的CFRP正交切削試驗(yàn)，對(duì)加工表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)θ介于15°到60°之間時(shí)，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(jìn)行了正交切削試驗(yàn)研究不同θ下CFRP材料的加工表面特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維方向角超過(guò)90°時(shí)會(huì)造成加工表面損傷，表面層材料發(fā)生明顯的機(jī)械性形變。CFRP在不同纖維方向角時(shí)的加工表面存在較大差異，El-HofyMH等人對(duì)不同纖維方向角下的切削表面分析:0°時(shí)纖維束切口整齊;45°時(shí)彎曲、折斷的纖維使得切削表面不如0°時(shí);90°、135°時(shí)存在纖維拔出現(xiàn)象。
蔡曉江[10]等在對(duì)CFRP的切削試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):θ<45°時(shí)工件加工表面質(zhì)量較好，表面粗糙度小，輪廓平滑;θ>135°時(shí)，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(kuò)展裂紋的趨勢(shì)。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(jìn)行切削加工時(shí)的纖維鋪層方向應(yīng)得到重視。
3結(jié)語(yǔ)
近年來(lái)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用前景愈加廣闊，正廣泛使用于各個(gè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其切削性能的研究取得了較為豐碩的成果。本文主要對(duì)碳纖維復(fù)合材料的纖維方向?qū)ζ淝邢鳈C(jī)理及切削性能的影響研究進(jìn)行綜述，主要包括纖維方向?qū)η邢鬟^(guò)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)還有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步深入研究:
1)文獻(xiàn)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(shuō)服力的解釋?zhuān)P(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(jìn)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(hào)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)刀具磨損行為。
3)CFRP材料切削加工過(guò)程中刀具的磨損較為嚴(yán)重，而目前適用于加工碳纖維復(fù)合材料的金剛石刀具價(jià)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(kāi)發(fā)耐磨性更好、經(jīng)濟(jì)效益更高的刀具材料。
4)目前對(duì)CFRP切削熱的研究相對(duì)較少，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行深入研究，探索切削熱對(duì)刀具磨損及加工損傷的影響機(jī)理，建立完善的溫度分布模型。
參考文獻(xiàn):
[1]簡(jiǎn)龍藝，林有希.碳纖維復(fù)合材料銑削加工研究進(jìn)展[J].工具技術(shù)，2014，48(4):3-6.
[2]WangXM，ZhangLC.Anexperimentalinvestigationintotheorthogonalcuttingofunidirectionalfibrereinforcedplastics[J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture，2003，43(10):1015-1022.
[3]UcarM，WangY.End-millingmachinabilityofacarbonfiberreinforcedlaminatedcomposite[J].JournalofAdvancedMaterials-Covina-，2005，37(4):46-52.
[4]KoplevA.Cuttingofcfrpwithsingleedgetools[M].[S.I.]:AdvancesinCompositeMaterials，1980.
[5]PwuHY，HochengH.Chipformationmodelofcuttingfiber-reinforcedplasticsperpendiculartofiberaxis[J].JournalofManufacturingScience&Engineering，1998，120(1):192-196
材料方向論文范文：纖維材料論文酚醛環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能
摘要：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料簡(jiǎn)稱(chēng)FRP，這種材料中有較大的強(qiáng)度和較良好的耐久性，這是其他材料都無(wú)法比擬的。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)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(diǎn)。文章對(duì)玻璃纖維布及碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞：玻璃纖維布;碳纖維布;復(fù)合材料;力學(xué)性能;纖維
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