不同纤维方向角时碳纤维增强树脂基复合材料切削力建模

秦旭达 朱圣富 李士鹏 葛恩德 唐心凯

（1 天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室，天津 300350）

（2 上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所，上海 201324）

文 摘 碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）切削中，存在纤维断裂、基体失效和界面相失效等多个过程，且不同纤维切削角时切屑形成机理不同，因而CFRP切削力的有效预测非常困难。对此本文结合最小势能原理和Winkler弹性地基梁理论，基于CFRP代表性单元（RVE），利用其微元求解纤维挠曲变形方程，分别分析了不同纤维方向角时三个切削变形区的力学行为，并完成纤维临界损伤长度的预测，最终形成不同纤维方向角时的CFRP 切削力解析模型。通过CFRP 直刃铣刀铣削实验，进行了切削力模型的验证，当纤维方向角在0°～180°时，切削力计算值和实验值随纤维方向角的变化趋势相吻合，切削力大小误差在15%以内。切削力随纤维方向角的增大先增后减，分别在90°和45°附近转变变化趋势。切削形貌表明，纤维方向角为135°时，CFRP铣边加工质量较差，临界损伤长度也较大。建立的切削力解析模型可以较为准确地预测CFRP正交切削力，可为CFRP切屑形成中的力学行为分析提供理论指导。

0 引言

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有可设计性强、比强度高和耐腐蚀优越，使得在航天航空、船舶和汽车等领域的应用越发广泛［1］。为满足CFRP构件的装配尺寸精度要求，常需进行微小尺寸的铣削加工［2］。然而，CFRP 多相性和各向异性的特征导致其加工过程与金属相比有很大的不同，存在纤维断裂、基体失效和纤维-基体间界面失效等多组分的不同失效去除过程，极易产生表层的撕裂、凹坑、分层与面下微裂纹等损伤［3］。……