基于三维多相有限元的CFRP细观切削机理研究

为深入揭示碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic/polymer,CFRP)切削机理,针对目前宏观单相有限元方法无法直观体现纤维和基体的失效形式、切屑类型等问题,借助数值仿真方法建立了CFRP直角切削的三维多相有限元模型。测量刀具刀尖形貌,根据刀具和CFRP设计数据提取CFRP纤维、基体细观几何信息,建立直角切削细观几何模型;基于定义材料本构用户子程序(User subroutine to define material behavior,VUMAT)分别定义纤维和基体的材料本构(弹塑性、失效准则、损伤演化方式),对不同纤维方向角的三维多相CFRP直角切削模型进行仿真分析;设计直角切削试验对仿真结果进行对比验证。仿真结果直观地展示了基体和纤维的失效形式、切屑形成过程、不同情况下切削亚表面损伤深度,通过各种情况下切削力数据的分析,揭示了切削力随纤维方向角的变化规律,并通过试验验证了该有限元建模仿真方法的有效性。     

基于CFRP切削过程仿真的面下损伤形成分析

由于碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)宏观上呈现非均质、各向异性,细观上表现为纤维和树脂的特殊混合形态,导致其制件加工过程中极易产生分层、开裂等损伤,严重影响其制件的加工精度及承载性能。研究CFPR加工损伤产生机理并以此降低加工损伤是提高其加工质量的关键。基于宏观各向异性本构、Hashin失效起始准则及损伤演化,建立了可实现任意纤维角度单向板连续动态切削过程仿真分析的直角切削有限元模型,分析了任意纤维角度CFRP单向板连续切削过程面下损伤,得到了纤维角度、切削参数、刀具结构对面下损伤深度的影响规律。具体结果:纤维角度为影响面下损伤的主要因素,随纤维角度增大,切削力增大同时面下损伤深度也明显增加;面下损伤的主要原因为切削力过大导致的基体破坏及扩展;对于135°单向板面下损伤深度随刀具前角增大呈先增大后减小的趋势。     

基于三相微观结构的纤维复合材料切削仿真研究

为了研究纤维增强复合材料在切削过程中的材料去除机理及切削性能,本文建立了基于三相微观结构的纤维增强复合材料的二维有限元切削模型。针对纤维、基体和界面相组成三相微观结构,分别建立了它们的本构模型和失效准则,并完成复合材料二维正交切削的动态物理仿真。通过切削力仿真值与实验值的比较,验证了该模型的准确性和有效性。并基于此模型,分析材料的切屑形成机理、切削损伤及加工参数对切削力的影响。结果表明,纤维增强复合材料的切屑形态、损伤模式和切削力具有明显的各向异性。     

第8届上银优秀机械博士论文奖——金奖 CFRP低损伤钻削制孔关键技术研究

<正>轻质高强碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是运载装备减重增效的优选材料,可显著提升装备性能。此类材料构件的装配连接需加工大量连接孔,且制孔损伤容限要求苛刻。但CFRP是典型的难加工材料,钻削制孔时,与金属等匀质材料相比,材料失效行为和去除机理迥异,易在出口区域产生严重损伤,对现有加工技术提出严峻挑战,制约CFRP的应用,限制装备性能提升。本文研究CFRP的切削机理和温度影响规律,提出合理控制切削力,降低切削温度影响的方法,研发钻削刀具和工艺关键技术,实现CFRP低损伤钻削制孔。1)建立了CFRP切削加工中单侧弱约束区域材料的单纤维切削和刀具/纤维接触的理论模型,表征了钻削出口材料的切     

基于有限元的SiCp/Al复合材料切削机理及表面质量研究

为了研究SiC_p/Al复合材料的切削机理以及切削参数对加工表面质量的影响规律,建立了综合考虑颗粒分布、颗粒-基体界面模型及颗粒损伤行为的切削仿真模型。研究表明：切削过程中主要存在基体塑形变形、SiC颗粒破碎及颗粒脱粘等失效形式,且颗粒与切削路径的相对位置对颗粒的去除机理有很大影响。随着切削深度的增加,切屑尺寸、主切削力的波动程度及其平均值增加,颗粒破碎程度加剧。增大切削速度有利于提高已加工表面的完整性。     

基于有限元的SiCp/Al复合材料切削机理及表面质量研究

为了研究SiC_p/Al复合材料的切削机理以及切削参数对加工表面质量的影响规律,建立了综合考虑颗粒分布、颗粒-基体界面模型及颗粒损伤行为的切削仿真模型。研究表明：切削过程中主要存在基体塑形变形、SiC颗粒破碎及颗粒脱粘等失效形式,且颗粒与切削路径的相对位置对颗粒的去除机理有很大影响。随着切削深度的增加,切屑尺寸、主切削力的波动程度及其平均值增加,颗粒破碎程度加剧。增大切削速度有利于提高已加工表面的完整性。     

CFRP/Al叠层材料二维正交切削过程数值仿真

由于CFRP与Al合金材料之间的差异性,对其构成的叠层材料的加工带来巨大挑战,同时由于实验研究的高成本、时间消耗以及计算机技术的高速发展,数值仿真成为研究切削过程的有力方法。将三维钻削过程简化为由不同的本构模型和损伤准则建立的2D正交切削宏观有限元模型,研究了切削顺序、进给速度、刀具前角对45°纤维角CFRP/Al合金叠层材料切削力和CFRP切削损伤的影响。仿真结果表明:CFRP→Al切削顺序优于Al→CFRP切削顺序。进给速度对切削过程中切削力和切削损伤的影响高于刀具前角。当刀具前角大于5°时,增大刀具前角对45°单向CFRP的切削力和加工后表面损伤影响不显著。     

CFRP/Al叠层结构钻铰锪一体制孔切削力建模与预测技术

针对钻铰锪复合刀具一体制孔过程,构建瞬时切削力模型,为制孔切削力优化、抑制CFRP/Al叠层结构的制孔缺陷提供理论依据。将CFRP/Al叠层结构钻铰锪一体制孔过程拆分为钻削、铰削、锪窝,基于CFRP与Al的细观斜角切削模型,分别建立钻削、铰削、锪窝过程的动态切削力(轴向力与扭矩)模型。根据切削特点及所处切削状态对制孔过程进行阶段划分,利用钻削、铰削以及锪窝的切削力模型,计算出相应阶段的切削力。根据工作前角数学模型,分别建立钻削、铰削、锪窝过程的前角均值、剪切角均值和摩擦角均值的数学模型,并且给出纤维方向角关于时间的变化模型。基于接触力学理论建立横刃的切削力模型,最终形成CFRP/Al叠层结构钻铰锪一体制孔刀具的瞬时切削力的模型。最后,搭建制孔试验平台,进行钻铰锪一体制孔试验,验证瞬时切削力模型的正确性与可靠性。     

CFRP圆管表层纤维铺向对钻削质量的影响研究

由碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）制成的圆管在钻削加工时，圆管表面与刀具相交形成相贯线形式孔边缘轮廓，随着刀具切削刃旋转至轮廓较低点过程中被切削材料的减少，切削刃外缘处从材料中切出，纤维在切削速度方向上为无未切削材料支撑的弱约束状态；随着切削刃旋转至较高点过程中被切削材料的增多，切削刃外缘处又切入材料，切削厚度的增加将带来更大的切削力，纤维与树脂基体之间更易开裂。文中对CFRP圆管钻削过程中切削刃切入、切出过程进行分析，得到其对入口、出口损伤的影响规律，通过实验分析了钻削具有不同表层铺层方向的CFRP圆管中切入、切出过程对入口、出口损伤的影响程度。结果表明，在钻削入口处曲面特征下切削刃切入、切出不同纤维铺向条件下的纤维时，产生损伤的角度范围与损伤面积均会增加，与切出过程相比，切入过程会造成更严重的毛刺、撕裂损伤。钻削出口处CFRP圆管的曲面特征对分层损伤并无显著影响。     

CFRP复合材料铣削力、温度及表层损伤分析

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)以其轻质、高强等优点,在航空航天高端装备上展现出巨大优势。然而,CFRP中各组成相所需的切削能量及热导率具有差异性,在切断高强纤维的同时极易造成低强的纤维/树脂界面发生开裂,而热量积聚所引起的高温又会使树脂软化加剧裂纹扩展,严重影响装备的服役性能和可靠性。阐明切削力和切削热对加工损伤的影响机制是实现CFRP高质高效加工的关键。基于数字图像处理技术,建立CFRP铣削加工表层损伤面积评价方法,该方法可有效避免传统方法因只能考虑损伤的一维长度信息而无法评价加工损伤程度的问题。分析主轴转速和每齿进给对表层损伤面积、切削力以及切削温度的影响规律,并讨论切削力和切削温度对表层损伤面积因子的影响。研究表明:通过减小单次切削厚度和控制切削温度在适合区间可有效降低加工损伤。     

High-speed milling of CFRP composites: a progressive damage model of cutting force

Three-dimensional Hashin failure criterion and material stiffness degradation model were compiled by VUMAT subroutine. The Abaqus/Explicit solver was performed to establish progressive damage model of cutting force for CFRP high-speed milling, and high-speed milling experiments with different cutting parameters were carried out. Further, the impact mechanism of fiber cutting angle and cutting parameters on cutting force, stress, and material failure during milling was explored, and the material removal mechanism in high-speed milling of CFRP was revealed. The results show that the error between the experimental and simulated of cutting forces is less than 5%, which indicates that the progressive damage model is feasible. The fiber cutting angle has significant influence on cutting force and stress in cutting process, and the cutting direction has a significant influence on cutting force. In addition, cutting parameters play a critical role in cutting force, and the feed per tooth is the most significant factor affecting the cutting force. Simultaneously, the progressive damage model predicts that the shear failure of materials mainly concentrates in the cutting area and extends along the feed direction. Finally, the material removal mechanism of CFRP in high-speed milling was revealed combining cutting force experiment.     

纤维角度和切削深度对碳纤维复合材料切削性能的影响仿真

利用ABAQUS有限元分析软件,基于Hashin材料失效准则构建了碳纤维复合材料的二维正交切削模型。对不同纤维角度以及不同切削深度条件下材料所受的最大应力进行仿真分析,得出了纤维角度和切削深度与加工表面质量之间的关系,为实际加工提供了理论依据。     

高温合金蜂窝芯高速铣削材料去除机理与损伤行为

高温合金蜂窝芯材料具有高比刚度、轻质和能量吸收特性好等优异性能,被视为下一代高超声速飞行器热防护结构极具潜力的材料。高速铣削是高温合金蜂窝芯零件成型过程中重要的减材制造工艺,在蜂窝芯材料高速铣削时,蜂窝芯材料面内刚度低且高温合金塑性好,较小的切削力就会使蜂窝壁产生较大的塑性变形,导致蜂窝芯加工精度较低、加工损伤难以控制,对后续焊接、装配等工序产生不利影响。基于有限元仿真对蜂窝壁切削材料去除机理进行了深入研究,探索了铣削参数、刀具类型和铣削方式对铣削过程中铣削力和加工损伤的影响。研究结果表明,蜂窝壁切入角是影响蜂窝芯材料切削加工过程中瞬时应力分布和成屑机理的关键性因素。得到了铣削参数、刀具类型和铣削方式对高温合金蜂窝芯加工过程中加工损伤的影响规律。对于铣削参数,过大的进给量会导致芯格变形等加工损伤,降低切削速度会提高微小毛刺等加工损伤发生的频率;本文采用的三种刀具的对比结果表明,立式铣刀加工质量最好。插铣方式会产生明显的轴向冲击,而侧铣方式可以有效避免轴向冲击。研究成果为高温合金蜂窝芯低损伤高性能加工提供了理论依据和工艺技术储备。     

Micro Model of Carbon Fiber/Cyanate Ester Composites and Analysis of Machining Damage Mechanism

Machining damage occurs on the surface of carbon fiber reinforced polymer(CFRP) composites during processing.In the current simulation model of CFRP, the initial defects on the carbon fiber and the periodic random distribution of the reinforcement phase in the matrix are not considered in detail, which makes the characteristics of the cutting model significantly di erent from the actual processing conditions. In this paper, a novel three-phase model of carbon fiber/cyanate ester composites is proposed to simulate the machining damage of the composites. The periodic random distribution of the carbon fiber reinforced phase in the matrix was realized using a double perturbation algorithm. To achieve the stochastic distribution of the strength of a single carbon fiber, a novel method that combines the Weibull intensity distribution theory with the Monte Carlo method is presented. The mechanical properties of the cyanate matrix were characterized by fitting the stress-strain curves, and the cohesive zone model was employed to simulate the interface. Based on the model, the machining damage mechanism of the composites was revealed using finite element simulations and by conducting a theoretical analysis. Furthermore, the milling surfaces of the composites were observed using a scanning electron microscope, to verify the accuracy of the simulation results. In this study,the simulations and theoretical analysis of the carbon fiber/cyanate ester composite processing were carried out based on a novel three-phase model, which revealed the material failure and machining damage mechanism more accurately.     

碳纤维复合材料铣削加工研究进展

介绍碳纤维增强树脂基复合材料的特点、应用现状和加工难度,综述近10年碳纤维增强树脂基复合材料铣削机理(刀具磨损、切削力、表面质量、切屑形成机理)的研究进展,并讨论其将来的研究趋势。     

Development of cutting force prediction model for carbon fiber reinforced polymers based on rotary ultrasonic slot milling

Carbon fiber reinforced polymers (CFRP) have got widely increased applications in aviation, defense and other industries due to their properties of high specific strength/stiffness, high corrosion resistance and low-thermal expansion. The issues like excessive cutting forces and machining damages are encountered in machining due to heterogeneity, anisotropy and low heat dissipation of these materials. The cutting forces are required to be predicted/minimized through modeling. In this article, the novel axial and feed cutting force model has been developed and validated through rotary ultrasonic slot milling of CFRP composites. The variations less than 10% have been found between the measured and corresponding simulated values of the cutting forces. However, some higher variations have also been observed in the few cases mainly due to heterogeneity and anisotropy of such material. The cutting depth is a significant parameter for axial and feed forces, while the feed rate is significant for the axial force. Both the forces decreased with the increase of spindle speed, while they increased with the increase of feed rate and cutting depth. The developed models have been found to be robust and can be applied to optimize the cutting forces for such materials at the industry level.     

涂层刀具高速铣削碳纤维复合材料的铣削力研究

由于碳纤维复合材料(CFRP)的各向异性,纤维的铺层方向对其整体性能有重要的影响。本文采用斜角自由切削方法对具有12种不同纤维方向的T800、T700和T300碳纤维复合材料的切削力进行了试验研究,得出了CFRP单向层合板在不同基体类型和不同纤维方向下切削力的变化规律,并分析了纤维结构对切削力的影响机理。结果表明:基体类型对切削力的影响均匀稳定,无方向性;纤维方向对切削力的影响具有显著的方向性,对切削力影响的强弱关系为F_XF_ZF_Y。     

碳纤维复合材料/钛合金叠层钻孔质量研究

碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)/钛合金叠层的钻孔机理不同于单层材料钻孔,钛合金切屑在排出孔外过程中会对CFRP孔质量造成损伤。为了探究CFRP在叠层钻孔时的质量特性,设计正交试验分析了钛合金切屑和切削参数对CFRP层钻孔质量的影响。观察了轴向切削力和力矩的变化以及钛合金切屑形态,分析CFRP层孔径超差和入口撕裂的机理。结果表明:大进给量条件下,高温、高硬度的钛合金切屑会对CFRP产生严重的侵蚀,是导致CFRP孔径超差的主要原因,并会增大入口撕裂程度;CFRP入口撕裂主要产生在切削速度和纤维方向夹角θ=45°的位置,低切削速度不利于切削CFRP,会加大入口撕裂程度。因此,应使用小进给量钻削钛合金层,使用大切削速度钻削CFRP层;在保证钻头强度的前提下,推荐使用具有较大容屑空间的钻头。