工艺参数对碳纤维复合材料切削过程亚表面损伤影响的数值建模
                                          陈德雄，林有希，任志英，林〓华
                                   (福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州〓350116)
    针对碳纤维复合材料(CFRP)切削加工过程中形成的亚表面损伤问题，基于Hashin失效准则，建立了CFRP切削加工宏观动态仿真模型。通过正交试验和方差分析研究材料自身纤维方向及工艺参数（刀具前角、切削深度和刀尖半径）对工件亚表面损伤的影响规律。仿真结果表明：影响亚表面损伤深度Dm的因素主次顺序为纤维方向＞刀尖半径＞切削深度＞刀具前角；纤维方向和刀具前角的交互作用对亚表面损伤具有显著影响，贡献率分别为48.12 %和10.86 %。亚表面损伤沿着切削方向扩展，并且分布方向大体上与纤维方向一致；随着纤维角度的增加，亚表面损伤深度Dm先增大后减小。研究结果可为进一步了解CFRP的切削机理提供可靠的借鉴。


    碳纤维复合材料(CFRP)由于其良好的机械性能和物理性能被广泛运用于航空、军事、汽车等多个工业领域。然而，碳纤维复合材料在微观上呈现纤维、树脂以及界面组成的混合态，在切削加工过程中容易导致纤维基质脱粘、基质开裂等缺陷，从而引起材料的亚表面损伤。亚表面损伤会导致复合材料裂纹的扩展或进一步的损伤发生，从而使复合材料的性能下降以及使用寿命减少，因此研究CFRP的切削加工性能具有重要的现实意义。周井文等试验研究指出90°纤维方向CFRP加工表面会有大小不同的微坑，同时在样件上、下表面易产生分层缺陷；GAO等试验发现在0°纤维方向出现纤维基质脱粘破坏，90°纤维方向出现纤维拔出缺陷，135°纤维方向有严重的亚表面损伤，加工质量最差；DANIEL采用高速摄影技术对CFRP损伤破坏方式进行了分析。另外，相关学者实验研究了切削深度、刀具前角和切削刃半径对切削质量的影响。然而，实验研究需要耗费大量人工及材料成本，并且CFRP的切屑多为粉末状，吸入对人体有一定的伤害，因此采用有限元仿真方法对CFRP的切削过程进行研究具有一定的优势。
AROLA等最早将碳纤维复合材料假设为等效均质材料(EHM)研究刀具几何参数和纤维方向对材料去除过程的影响。LASRI等采用刚度退化理论研究切削力和损伤失效模式。SANTIUSTE等分别建模研究了玻璃纤维复合材料(GFRP)和CFRP的切屑形成和基质损伤，GFRP的损伤广泛分布在刀尖前面和下面区域，而CFRP的损伤区域则小得多。ILIESCU等采用离散有限元法(DEM)模拟单向CFRP正交切削的切削力和切屑形成过程。SOLDANI等［12］研究了单元尺寸以及形状对GFRP切削仿真结果的影响和单元断裂能与切屑形貌的关系。综上所述，目前相关学者对复合材料的切削仿真研究大多集中在切屑形成过程、切削力和纤维与基质的破坏等方面，而对于切削过程中导致的亚表面损伤和相关工艺参数的综合影响并未进行深入的研究。本文基于ABAQUS建立CFRP切削仿真模型,并且采用模拟正交试验综合考虑相关工艺参数对亚表面损伤的影响，为进一步加深理解CFRP切削机理提供理论参考。

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375094)；清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金资助项目(SKLTKF13B02)；福建省自然科学基金资助项目（2015J01195）；福州市科技局资助项目(2014-G-74)
作者简介：陈德雄（1991—），男，福建仙游人，福州大学硕士研究生，主要从事数字化设计和加工摩擦学研究。


（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）

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