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

发布时间：2020-07-13 11:56

【摘要】：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。
【图文】：

二维切削,仿真模型

定刀具与材料内部点的接触情况，当材料外表面失效时就无法模拟刀具与材料内部的切削情况，仿真结果将会严重失真。在接触属性中，将摩擦因子设置为0．15，由于与切削均质金属不同，在切削CFＲP的过程中会出现崩刃、积屑瘤等破坏加工的情况，故设定参考点(ＲeferencePoint)时将刀具设置为刚性体。设置负载时，将工件底边的六个自由度都设为0，工件两侧边的X方向位移量U1设为0，将刀具X方向位移量U1设为负数，即设定切削方向沿X轴负方向，Y向位移U2和Z向转动UＲ3设为0。构建的CFＲP二维切削仿真模型如图1所示。该模型通过AssignMaterialOrientation功能来改变每次模拟的纤维角度。2.2构建材料模型工件材料建模选用ABAQUS软件专为复合材料而设定的正交弹性平面应力模型———Lamina单层板模型。对于二维壳单元模型，材料属性需要定义不同方向的弹性模量、泊松比、剪切模量等6个参数，定义参数见表1。(a)切削示意(b)仿真模型图1二维切削仿真模型表1Lamina单层板材料参数密度ρ(g/mm3)1．42X方向弹性模量E1(MPa)135050Y方向弹性模量E2(MPa)9955泊松比Nu120．32XOY平面剪切模量G12(MPa)5176XOZ平面剪切模量G13(MPa)0YOZ平面剪切模量G23(MPa)0单层板材料有限元仿真分析的仿真过程能收敛材料属性要求，表达式为E1，E2，G12，G13，G23＞0(1)|Nu12|＜E1E()21/2(2)2.3材料的失效准则由于Hashin失效准则可以准确预测弹性—脆性材料的各向异性破坏，因此本模型采用该准则作为CFＲP单层板材料的失效标准(见表2)。根据Hashin失效准则定义的材料失效参数见表3。表2Hashin失效准则表基体拉伸失效σ2Y()T2+τ

示意图,纤维,角度,仿真结果

∪绫?所示的损伤演化参数。表4损伤演化参数定义表X方向拉伸断裂极限GLT0．01X方向压缩断裂极限GLC0．005Y方向拉伸断裂极限GTT0．0009Y方向压缩断裂极限GTC0．0063仿真结果及分析3.1不同纤维角度的仿真分析纤维角度θ对碳纤维复合材料切削性能的影响至关重要，为了更全面地了解纤维角度对切削性能的影响规律，本文以15°为增量，对0°至165°铺层角度的应力变化进行了仿真分析。由于分析的角度较多，仅选取最常用的0°、45°、90°、135°铺层角度对仿真结果进行解析。(1)纤维角度θ=0°如图2所示，切削加工表面平整无缺陷，应力主要集中在刀尖及后刀面处。纤维角度为0°时，相当于刀具平推着纤维移动，因此不会产生垂直于纤维的轴向剪切力。由于基体强度与材料强度不同，导致随着刀具的移动，纤维被不断挤压变形，最后与基体剥离。随着刀具的继续移动，已经弯曲的纤维层最终被挤压碎裂形成切屑，整个过程类似于刀具将纤维层从基体剥离的过程。这种切削也称为层间分离型切削，主要变形位置位于切断层的上方［5］，而应力主要集中在后刀面，这是由于随着前刀面及刀尖将纤维层与基体剥离，后刀面与基体直接接触产生摩擦。由于刀尖不是非常锋利，造成后刀面与基体间的压力非常大，产生很大的应力，造成刀具后刀面磨损，其磨损面为与基体接触的部分。(a)θ=0°时的切削示意图(b)θ=0°时的仿真图图2纤维角度θ=0°时的仿真结果(2)纤维角度θ=45°如图3所示，切削加工表面很粗糙，类似于锯齿形，应力沿纤维方向传递，应力集中部位主要位于前刀面和刀尖。刀具水平移动时，切削力会分解为垂直于纤维的剪切分力和挤压基体的拉伸分力。随着刀具的进给，剪切力不断增大，直至达到纤维的剪切强度使纤维?

示意图,纤维,角度,仿真结果

刀具的继续移动，已经弯曲的纤维层最终被挤压碎裂形成切屑，整个过程类似于刀具将纤维层从基体剥离的过程。这种切削也称为层间分离型切削，主要变形位置位于切断层的上方［5］，而应力主要集中在后刀面，这是由于随着前刀面及刀尖将纤维层与基体剥离，后刀面与基体直接接触产生摩擦。由于刀尖不是非常锋利，造成后刀面与基体间的压力非常大，产生很大的应力，造成刀具后刀面磨损，其磨损面为与基体接触的部分。(a)θ=0°时的切削示意图(b)θ=0°时的仿真图图2纤维角度θ=0°时的仿真结果(2)纤维角度θ=45°如图3所示，切削加工表面很粗糙，类似于锯齿形，应力沿纤维方向传递，应力集中部位主要位于前刀面和刀尖。刀具水平移动时，切削力会分解为垂直于纤维的剪切分力和挤压基体的拉伸分力。随着刀具的进给，剪切力不断增大，直至达到纤维的剪切强度使纤维发生断裂，但由于纤维的弹性模量比基体大得多，相对于基体不容易被挤压变形，因此纤维发生断裂时基体已先于纤维发生碎裂。由于纤维是受到剪切力作用而断裂，并形成切屑，因此这种切削过程称为纤维切断型切削。未切除的纤维对加工表面具有支撑作用，可以获得较好的加工表面质量。(a)θ=45°时的切削示意图(b)θ=45°时的仿真图图3纤维角度θ=45°时的仿真结果(3)纤维角度θ=90°如图4所示，切削加工表面比较平滑，质量较好，应力主要沿纤维方向分布。垂直于纤维的剪切分力远大于沿纤维方向的拉伸分力，纤维束以刀具切断为主，断裂处比较整齐一致。θ=90°时，纤维垂直排列，刀具的切削力即为其剪切分力，此时的剪切力更容易达到纤维的剪切强度而切断纤维，即所需的切削力较校随着刀具的进给，纤维束会比较整齐地断裂，从而获得较高的表面加工质量。(a)θ=90°时?

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