CN105758756A - 一种碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法，通过碳纤维增强复合材料单向层合板的切削试验得到单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱，再通过旋转得到全厚度范围内各层不同方向的碳纤维增强复合材料切削比能图谱；其步骤如下：1)设计碳纤维增强复合材料单向层合板直角自由切削试验方案；2)按照试验方案进行切削试验，测量试验过程中各组试验条件下的主切削力；3)计算碳纤维增强复合材料单向层合板的切削比能；4)绘制单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱；5)构建全厚度范围内各层不同方向的碳纤维增强复合材料切削比能图谱。本发明为研究碳纤维增强复合材料切削过程中碳纤维的断裂机理、切削力、切削温度、表面质量、表面缺陷以及进行刀具的设计和制造提供了支撑。

Description

一种碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法

技术领域

本发明涉及的是一种构建碳纤维增强复合材料切削比能型谱的方法，具体涉及的是一种基于全厚度范围的碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法，属于机械切削加工技术领域。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer，简称CFRP)作为最具代表性的一种先进的树脂基复合材料，其具有比强度和比刚度大、耐腐蚀、可设计性强等诸多优势。碳纤维增强复合材料具有显著的各向异性，其体现在三个层面上：(1)纤维的各向异性：纤维类原材料本身即具有各向异性，主承力方向为沿纤维拉伸的方向(0°拉伸方向)，而在其他方向上长纤维不能承受过大的载荷。(2)层内的各向异性：碳纤维增强复合材料层合板的中间原料一般为由碳纤维和树脂经预浸渍工艺形成的预浸布料层，其构成碳纤维增强复合材料层合板的每一层，在层内沿纤维方向(0°方向)是碳纤维增强复合材料的强化方向，有较高的强度；例如，T800/X850预浸布料的抗拉强度可达2840MPa，抗压强度可达1570MPa，而层内垂直纤维方向(90°方向)的抗拉强度由树脂和碳纤维－树脂界面决定，仅为80MPa。(3)层间的各向异性：碳纤维增强复合材料层合板的层与层之间由树脂粘结，其层间结合性能主要由树脂和碳纤维界面影响而定；例如，T800/X850的面内剪切强度(层间0°方向)为98MPa，层间结合强度(层间90°方向)则受铺层方向影响在80～100MPa之间变化；铺层方向相同的相邻两层之间的层间结合强度最大，铺层方向互相垂直的相邻两层之间的层间结合强度最小。

碳纤维增强复合材料的非均匀性和各向异性，使得切削机理复杂多变，给加工过程中的质量控制及相应的刀具开发带来困难。

切削比能是表述一种材料切削性能的重要参数，其直接反映材料切削时切屑分离的难易程度。切削比能的定义是指在直角自由切削中去除单位体积材料所消耗的能量，表示为：

$u=\frac{F_c}{{\mathrm{ta}}_c}$

式中，F_c为主切削力，t和a_c分别为直角自由切削的切削宽度和切削厚度。

当讨论纤维增强类复合材料的切削去除机理时，纤维方向角是一个需要重点考虑的影响因素，请参阅图1，切削速度方向V_c与碳纤维方向(指向未切削材料层)所夹的角度即为纤维方向角θ。

在切削加工单层纤维过程中，纤维方向角θ在0°到180°的范围内连续变化，并因此可以形成刀具与碳纤维增强材料之间截然不同的切削加工关系，这些关系可归类为：(1)θ＝0°(180°)，切削速度方向V_c与纤维方向一致，呈平行切削关系；(2)θ＝90°，切削速度方向V_c与纤维方向垂直，呈垂直切削关系；(3)0°<θ<90°，切削速度方向V_c与纤维方向夹锐角，呈顺纤维切削关系；(4)90°<θ<180°，切削速度方向V_c与纤维方向夹钝角，呈逆纤维切削关系。

在以上四种刀具与碳纤维的切削加工关系中，碳纤维的切断方式完全不同，可能是挤压断裂，也可能是弯曲断裂，也可能是剪切断裂，而碳纤维的显著方向性让其在不同方向上的抗压强度、抗弯强度、剪切强度存在巨大差异。这种碳纤维本身断裂性能的差异性进一步导致了不同切削加工关系下最终纤维增强复合材料切削过程的明显不同，主要体现在一些切削过程中的物理量上，如切削力、切削温度、表面质量、表面缺陷类型等。

因此，绘制同一纤维铺层中不同纤维方向角上的切削比能图谱以及由此构建出基于全厚度范围碳纤维增强复合材料层合板切削比能图谱，对于研究碳纤维增强复合材料切削过程中碳纤维的断裂机理、切削力、切削温度、表面质量、表面缺陷以及进行相关碳纤维增强复合材料切削刀具开发具有重要意义。

经过现有文献检索，至今未发现建立基于全厚度范围碳纤维增强复合材料层合板切削比能图谱的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法，通过构建任意纤维方向角下的切削比能图谱，从能量角度反映在非均匀性与各向异性影响下，碳纤维增强复合材料切削加工过程的变化情况，为碳纤维增强复合材料的切削加工，包括加工机理研究、刀具设计和切削质量控制，提供切削比能数据支撑。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法，首先通过碳纤维增强复合材料单向层合板的切削试验，得到单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱，再通过旋转得到全厚度范围内各层不同方向的碳纤维增强复合材料切削比能图谱。

进一步地，所述的构建方法包括以下步骤：

第一步，设计碳纤维增强复合材料单向层合板直角自由切削试验方案，选定试验材料、装备试验用的正交飞刀和确定试验参数；

第二步，按照第一步中设计的试验方案进行碳纤维增强复合材料单向层合板直角自由切削试验，测量试验过程中各组试验条件下的主切削力；

第三步，根据第二步中测量得到的主切削力数据计算各组试验条件下碳纤维增强复合材料单向层合板的切削比能；

第四步，根据第三步中得到的切削比能数据，绘制0°～180°单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱，而后根据对称性得到180°～360°单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱；

第五步，根据第四步得到的单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱，构建全厚度范围内各层不同方向的碳纤维增强复合材料切削比能图谱。

进一步地，所述的第四步中的所述切削比能图谱描述在任意纤维方向角条件下单层单向碳纤维增强复合材料切削比能的分布情况。

进一步地，在相同坐标系下，全厚度范围内纤维方向不同的各层单向碳纤维增强复合材料具有相同的切削比能图谱形状，相互之间能够通过旋转而重合。

本发明的另一技术方案如下：

一种上述碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法在碳纤维增强复合材料切削过程中碳纤维的断裂机理、切削力、切削温度、表面质量和表面缺陷的研究以及碳纤维增强复合材料刀具的设计和制造方面的应用。

本发明从能量角度解决了碳纤维增强复合材料层合板加工过程中由于材料各向异性和非均匀性造成切削过程难以定量描述的技术问题，通过由单层单向纤维增强复合材料切削比能图谱得到全厚度范围内各层不同方向纤维增强复合材料层合板切削比能图谱，为研究碳纤维增强复合材料切削过程中碳纤维的断裂机理、切削力、切削温度、表面质量、表面缺陷以及进行相关碳纤维增强复合材料刀具设计提供了支撑。

附图说明

图1为纤维方向角示意图。

图2为T800碳纤维增强复合材料单向层合板单层材料切削比能图谱。

图3为T700碳纤维增强复合材料单向层合板单层材料切削比能图谱。

图4为碳纤维增强复合材料层合板全厚度方向上切削比能图谱示意图，图中层合板由4层构成，铺层方向从上到下分别为90°、0°、45°、-45°，切削方式为钻削加工。

具体实施方式

本发明所述的碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法通过碳纤维增强复合材料单向层合板直角自由切削试验，得到某铺层方向角下单层碳纤维增强复合材料切削的比能图谱，并通过旋转得到全厚度范围内其它铺层方向的各层碳纤维增强复合材料切削比能图谱，为研究碳纤维增强复合材料切削过程中碳纤维的断裂机理、切削力、切削温度、表面质量、表面缺陷以及进行相关碳纤维增强复合材料刀具设计提供了支撑。其包括以下步骤：

第一步，设计碳纤维增强复合材料单向层合板直角自由切削试验；选定试验材料，要求材料铺层纤维为单向带；确定试验参数，包括三大类参数：工件材料参数、切削加工参数和刀具参数。

第二步，按照第一步中的试验方案进行碳纤维增强复合材料单向层合板直角自由切削试验，测量试验过程中各组试验条件下的主切削力，主切削力测量值通过多次测量取平均值得到。

第三步，根据第二步中测量得到的切削力数据计算各个试验条件下碳纤维增强复合材料单向层合板切削比能。

第四步，根据第三步得到的切削比能数据，绘制0°～180°单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱，而后根据对称性得到180°～360°单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱；所述的切削比能图谱描述在任意纤维方向角条件下单层单向碳纤维增强复合材料切削比能的分布情况。T800和T700两种碳纤维增强复合材料切削比能单向层合板图谱分别见图2和图3。

第五步，根据第四步得到的单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱，构建全厚度方向上碳纤维增强复合材料层合板各层切削比能图谱。

在相同坐标系下，全厚度范围内纤维方向不同的各层单向碳纤维增强复合材料具有相同的切削比能图谱形状，相互之间可通过旋转而重合。

以下结合实施例对本发明作进一步描述，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实例同时以T800两种碳纤维增强复合材料切削比能单向层合板图谱构建为例，通过碳纤维增强复合材料单向层合板直角自由切削试验，得到某铺层方向下单层碳纤维增强复合材料切削的比能图谱，并通过旋转得到相同材料碳纤维增强复合材料层合板在全厚度范围内其它铺层方向的各层碳纤维增强复合材料切削比能图谱。

本实施例包括以下步骤：

第一步，设计碳纤维增强复合材料单向层合板直角自由切削试验：

采用的试验材料为T800碳纤维增强复合材料，二者均为单向层合板，规格如下：T800级碳纤维增强复合材料层合板，基体为增韧环氧树脂X850，共32层铺层，厚度为6.08mm。

试验中碳纤维增强复合材料层合板被切割成小尺寸块料，工件材料被切割时，纤维方向被专门设计成与小块料的底边呈不同的角度，这样得到的碳纤维增强复合材料小块料就可以用来进行不同纤维方向角下的直角自由切削试验。

试验所用刀具为特殊定制的正交飞刀，只有一条主切削刃参与切削加工。

试验中的正交切削运动是由平面磨床完成的，将磨床的砂轮盘换成专门设计的飞刀盘，将正交飞刀装在飞刀盘上。当磨床主轴旋转时就可以带动正交飞刀做飞切运动。试验中平面磨床的工作台固定不动，只由主轴旋转来完成正交切削运动，切削厚度的进给通过平台磨床的Z向进给机构完成。

测力仪固定在平面磨床的工作台面上，工件材料固定于测力仪上。采用压电原理的测力仪得到的电荷信号经过放大器放大，并最终通过计算机信号采集系统完成切削力的采集。

第二步，按照第一步中的试验方案进行碳纤维增强复合材料单向层合板直角自由切削试验，测量试验过程中各组试验条件下的主切削力，主切削力测量值通过多次测量取平均值得到。

第三步，根据第二步中测量得到的切削力数据计算各个试验条件下碳纤维增强复合材料单向层合板的切削比能。

第四步，根据第三步得到的切削比能数据，绘制0°～180°单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱，而后根据对称性得到180°～360°单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱。结果如图2所示。

第五步，根据第四步得到的单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱，构建碳纤维增强复合材料层合板在全厚度方向上的切削比能图谱，见图4。

以所得到的单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱(图2)为基准，将其分别沿逆时针方向旋转碳纤维增强复合材料层合板其它碳纤维铺层方向与当前铺层方向所成的角度(0～90°)即可。

所得到的碳纤维增强复合材料层合板在全厚度方向上的切削比能图谱能够应用于碳纤维增强复合材料切削过程中碳纤维的断裂机理、切削力、切削温度、表面质量和表面缺陷的研究以及碳纤维增强复合材料刀具的设计和制造。

Claims (5)

1.一种碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法，其特征在于，首先通过碳纤维增强复合材料单向层合板的切削试验，得到单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱，再通过旋转得到全厚度范围内各层不同方向的碳纤维增强复合材料切削比能图谱。

2.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法，其特征在于，所述的构建方法包括以下步骤：

第一步，设计碳纤维增强复合材料单向层合板直角自由切削试验方案，选定试验材料、装备试验用的正交飞刀和确定试验参数；

第二步，按照第一步中设计的试验方案进行碳纤维增强复合材料单向层合板直角自由切削试验，测量试验过程中各组试验条件下的主切削力；

第三步，根据第二步中测量得到的主切削力数据计算各组试验条件下碳纤维增强复合材料单向层合板的切削比能；

第四步，根据第三步中得到的切削比能数据，绘制0°～180°单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱，而后根据对称性得到180°～360°单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱；

第五步，根据第四步得到的单层单向碳纤维增强复合材料切削比能图谱，构建全厚度范围内各层不同方向的碳纤维增强复合材料切削比能图谱。

3.根据权利要求2所述的碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法，其特征在于，所述的第四步中的所述切削比能图谱描述在任意纤维方向角条件下单层单向碳纤维增强复合材料切削比能的分布情况。

4.根据权利要求2所述的碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法，其特征在于，在相同坐标系下，全厚度范围内纤维方向不同的各层单向碳纤维增强复合材料具有相同的切削比能图谱形状，相互之间能够通过旋转而重合。

5.一种权利要求1所述碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法在碳纤维增强复合材料切削过程中碳纤维的断裂机理、切削力、切削温度、表面质量和表面缺陷的研究以及碳纤维增强复合材料刀具的设计和制造方面的应用。