CFRPAl叠层材料二维正交切削过程数值仿真

2°21 年第 5 期_______________________________________________________________________________
Technology and Manufacture
工 N 与制造
CFRP/AI 叠层材料二维正交切削过程数值仿真*
郑华林① 蒙玉培① 张晟玮②
（①西南石油大学机电工程学院，四川成都610500；②中国航发航空科技股份有限公司，四川成都610500）
摘 要：由于CFRP 与A1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/A1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 —A1切削顺序优于A1—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。

关键词：复合材料;叠层材料;有限元分析;切削参数;刀具角度;表面损伤
中图分类号:TB333 ； V257 文献识别码:A
DOI ： 10.19287/j. cnki. 1005-2402.2021. 05・ Oil
Numerical simulation of 2D orthogonal cutting of hybrid composite CFRP/AI
ZHENG Hualin ①，MENG Yupei ①，ZHANG Shengwei®
(①School of Mechatronics Engineering , Southwest Petroleum University , Chengdu 610500, CHN ；
②Aecc Aero Science and Technology Co.,Ltd., Chengdu 610500, CHN)
Abstract : Differences between CFRP and Al alloy materials brings great challenges to the process of hybrid com ­
posite CFRP/Al. At the same time , the high cost and time consumption of experimental research as well
as the rapid development of computer technology , FEM has become a powerful research method for cut ­
ting process. The influences of cutting order , feed speed and tool front angle on the cutting force and CFRP damage of 45°fiber Angle UD-CFRP/Al alloy laminates were studied by simplifying the 3D drill ­ing process into the 2D orthogonal cutting macro FEM established with different constitutive models and
damage criteria. The simulation results show that the cutting order of CFRP —Al is better than that of Al —>CFRP. The effect of feed speed on cutting force and cutting damage is higher than that of tool front
angle. When the tool front angle is greater than 5°, feed speed and tool front angle have no significant influence on the cutting force and surface damage of 45°UD-CFRP.
Keywords : composite ； laminated material ； FEM ； cutting parameters ； tool angle ； surface damage 由碳纤维增强聚合物（CFRP ）和Al 合金构成的叠 层材料，以其优良的综合力学性能，广泛应用于航空领
域，其构件常以螺栓连接进行装配，因此钻削加工必不
可少。

但由于两种材料性能的差异性,对加工带来一 定难度，容易造成各种加工缺陷［1切。

随着计算机技
术的高速发展以及有限元理论的逐渐成熟，数值仿真 成为了有力的研究方法。

国外采用宏观、细观和宏-细观模型的方法对
CFRP 的切削机理以及切削参数的影响进行了细致研
究。

其中，Xu 等Z ］建立了 CFRP/Ti 的正交切削模 型，从纤维角、切削顺序及摩擦系数等对切削过程进行 了研究。

国内多是从事单一材料的切削研究MT,相
较于单一材料切削仿真研究，由于叠层材料的切削仿 真存在复杂的接触行为和网格控制，进而CFRP/A1叠
层材料数值仿真切削过程不容易收敛。

本文首先将CFRP/A1叠层材料钻削过程简化，得 到叠层材料二维正交切削模型，建立宏观仿真模型，并
与实验对比，验证了模型的准确性。

同时研究了切削
*四川省科技厅重点研发项目（19ZDZX0055）
用§9*刻出滋
*乜和%®
• 83 •
XZSH^Tech nology and Manufacture.
2021年第5期
顺序、进给速度、刀具前角对切削过程中切削力和
CFRP 切削损伤的影响规律。

1二维正交切削有限元模型
1.1材料性能和失效准则
单向CFRP 为各向异性材料,在二维情况下，属于 平面应力问题，采用2D HASHIN 失效模型〔I 来描述
单向CFRP 材料的失效,如下式所示：
(1) 沿纤维方向拉伸失效(a-n <o )：
(2) 沿纤维方向压缩失效(久］<0):
◎=(剝=1
(3) 沿基体方向拉伸失效(a 22^0):
Fm = ［器］寸
(4) 沿基体方向压缩失效(a 22<0):
l,0WaWl (1)
⑵
(3)
式中:XT 、XC 、严、严分别为沿纤维方向拉伸强度、 沿纤维方向压缩强度、垂直纤维方向拉伸强度、垂直纤
维方向压缩强度,S 〈ST 分别为沿纤维方向剪切强度 和垂直于纤维方向剪切强度0为有效应力。

单向CFRP 的材料参数［⑹如表1所示。

表1单向CFRP 材料参数
p/(kg/m 3)
E n /MPa E^/MPa
E 12/MPa
©12 =©13
1 578136 600
9 600
5 2000.29
分别为动态温度、转变温度和材料熔化温度。

表3 Al 2024-T351和刀具材料参数
材料参数
Al 合金刀具
密度 p/(kg/m 3)
2 700
11 900
弹性模量E /MPa
73 000
534泊松比©
0.330.22
洛/代)25
25
陰1/(弋)520
比热 Cp/CJkg-1^-1)
891.525400
热导系数入/(Wm-i^-i)120.57550
热膨胀系数 a d /( T ：-1)
22.423
同时采用J-c 剪切破坏模型［⑵与损伤起始准则
相对应，如下式所示：
= d 1+d 2exp^d 3 —J j
J ［l+</5T ］
(6)
式中:乡pi 为损伤开始时的塑性应变,d^d 5为材料在 常温下的失效参数,J-C 参数如表4所示［⑴o
表 4 Al 2024-T351 J-C 参数
A/MPa
B/MPa
C
m
n
352
440
0.008 3
1
0.42
失效参数为：必二 0.13、力2 二 0.13、£ 二一 1.5、£ =
0. Oil 、/二0。

1.2有限元模型建模关键步骤
将叠层材料钻削过程简化为二维正交切削过
程⑶⑶，如图1所示。

由于叠层材料有CFRP —A1合 金、A1合金—CFRP 两种钻削顺序，因此正交切削模型
也有两种切削顺序，如图la 、b 所示。

表2单向CFRP 损伤参数
MPa
XT
x c
y t
yC
S L
S T
1 500
900
27200
80
80
铝合金材料型号为Al 2024-T351,其材料参数如 表3所示M 。

采用基于经验的J-C 本构关系模型［⑵，如下式 所示：
lmm 「 1mm (b) AICFRP
图］不同钻削顺序，二维正交切削模型
式中Q 、E 、鸟分别为材料屈服应力、等效塑形应变、等 效塑形应变率分别为材料常数;八哄几
切削仿真采用商用ABAQUS 软件，运用EXPLICIT
模块以及拉格朗日网格控制算法。

工件的尺寸为
84
用§9“
刻出滋**和雷
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xz$«造
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2rnrnXlrnm,边界条件如图1所示，下边界完全约束，
左边界固定％方向位移自由度。

单向CFRP 采用宏
观建模，将截面属性定义为均质实体,并赋予材料方
向即可。

刃口半径r a = 0.01 mm,同时为减小运算时 工件应力的突然增大，刀具在距离工件0.01 mm 处
开始切削。

单向CFRP 采用平面应力线性插值单元CPS4R,
网格尺寸为0.01 mm o Al 2024-T351采用温度-位移 耦合单元CPE4RT,在损伤演化过程中,使用拉伸和剪
切混合模式下的断裂能量来用于金属材料去除的仿 真。

刀具采用CPE3T 单元。

由于材料结合区对CFRP/A1切削力的产生和切 屑分离等的影响较小，因此两种材料之间通过“绑定”
进行连接⑶。

采用库伦定律来描述刀具与材料之间 的接触摩擦行为，刀具与单向CFRP 之间摩擦系数为
0.4⑷、与Al 2024-T351之间的摩擦系数为0.1［⑷。

2 有限元模型验证
2.1单向CFRP 有限元模型验证
采用与文献［10］相同的加工环境来进行模型验
证，切削速度匕为6 m/min,进给速度/为0.2 mm/r,刀
具前角y 为0。

,后角a 为7。

实验与仿真在平均切削 力化之间的误差如表5所示。

(b) 45°
(c) 90°
(d) 135°
图2不同纤维角，仿真与实验切屑形态对比
表5不同纤维角，实验与仿真平均切削力几误差
纤维角0°45°
90°
135°
实验/N
40
33
80
49
仿真/N 38
2969
48误差/(%)
-5.00
-12.12-13.75
-2.04
表6不同切削速度，实验与仿真平均切削力代误差
V c /( m/min)
200
400800实验/N
988978
976
仿真/N 923924
932
误差/(%)
9.62
7.98
7.27
从表5中可知，仿真与实验最大误差为-13.75%, 最小为-2.04%,且仿真数据小于实验数据,实验与仿
真结果具有较强的相关性。

不同纤维角的单向CFRP 切屑形态，仿真与实验
对比如图2所示。

从图2可知,不同纤维方向角的切屑仿真与实验
有较好的一致性，且应力沿纤维方向分布。

因此该模 型能够有效模拟单向CFRP 的切削过程。

2.2 Al 2024-T351有限元模型验证
采用与文献［11 ］相同的加工环境来进行模型验 证，切削速度为200/400/800 m/min,进给速度为0.4
mm,前角y 为0。

,后角a 为7。

,切削厚度叫为4 mm o
实验与实仿真在平均切削力化之间的误差如表6 所示。

从表6中可知，仿真与实验最大误差为9.62%,最 小为7.27%，且仿真数据大于实验数据，实验与仿真结 果具有较强的相关性。

不同切削速度，仿真与实验的切屑形态对比如图
3所示。

图3为不同切削条件下仿真和实验的切屑形态,
测量了仿真的切屑从第3锯齿到第8锯齿之间的平均
锯齿高度L 和平均剪切带宽度S 。

当 Vc 为 200 m/min 时，厶= 0.123 mm A S = 0.198 mm ； 当 Vc 为 800 m/min 时,£ = 0.150 mm 、S = 0.243 mm o V c
越大锯齿化程度越大，仿真与实验的锯齿形形态与弯 曲半径有较好的一致性。

因此该模型能够有效模拟Al 2024-T351的切削
过程。

“亠刻呜
・85
・
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(a) K =200 m/min
削力的稳定性远高于切削单向CFRP 部分的切削力。

A1—CFRP 切削顺序时的单向CFRP 部分的切削力F c
高于CFRP/AI 顺序时的切削力F cO
不同切削顺序切削过程如图5所示。

单向CFRP
切削损伤以切削加工后表面损伤深度来描述,定义为 纤维最大拉伸损伤(HSNFCCRT)深度到加工后的表面
之间的距离加如图5所示。

(b) K =800 m/min
图3不同切削速度，Al ・2024・T351切屑形态对比
HSNFCCRT (Avg:75%)
3仿真结果分析
HSNFCCR7(Avg:75%y
3.1切削顺序对切削过程影响分析
采用45。

纤维角［⑸的工件，前角y 为20。

、后角a 为7。

的刀具参数,切削速度匕为60 m/min,进给速度f
为0.2 mm/r 的切削参数。

CFRP —A1、A1t CFRP 两种 切削顺序对平均切削力化和平均切削力X 影响如图4 所示。

140-1
--------CFRP-A1
20丨 | ・ | ・ ] ・ | ・ 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020
t/s
(b)平均切削力耳
图4不同材料切削顺序下的切削力对比
从图4可得，叠层材料在材料过渡阶段切削时，切 削力存在一个突变的过程。

切削A1合金部分时的切
HSNFCCRT (Avg:75%)
Al 合金切屑
(a) CFRP —A1
/=0.2 mm/r
(b) Al —CFRP
图5不同切削顺序切削过程
HSNFCCRT
从图5可得,CFRP/AI 切削顺序时，切削损伤深 度"0.08 mm,Al^CFRP 切削顺序时,/i = 0.07 mm,但 在过渡区域的纤维拉伸损伤严重，如图5圈出区域
所示。

采用A1—CFRP 切削顺序,在材料过渡阶段切削 时,A1合金切屑还未来得及分离，切屑粘附在前刀面
上，形成负前角，并代替前刀面进行切削，单向CFRP
切屑流动受阻，切削阻力增大，纤维拉伸损伤严重。

因此采用CFRP/AI 的切削加工顺序好于A1—
CFRP O
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工艺与制造
3.2进给速度、刀前角对切削过程影响分析
采用CFRP —A1切削顺序、后角a 为7。

、切削速度
为匕为60 m/min o 采用进给速度/为0.1/0.15/0.2
mm/r 的切削参数，刀具前角a 为0。

/5。

/10。

/15。

/20。

的刀具结构参数,来分析切削参数和刀具结构参数对 叠层材料二维正交切削过程中切削力的影响。

在不同 进给速度和不同刀具前角时，切削过程的平均切削力
几、久如图6所示。

40-1刀具前角的增大,在进给方向的切削力代先减小后增 大,当其为6。

时，切削力化最小。

切削损伤主要针对于单向CFRP 。

当进给速度/二
0.2 mm/r 时，单向CFRP 在不同刀具前角时的加工后
表面损伤深度，如图7所示。

(a) y =0°
(b)尸 10。

0°
5° 10° 15° 20°
y/(°)
(b)平均切削力耳
图6不同切削深度和不同刀具前角时的平均切削力
/=0.2 mm/r
(c)y=20°
图7不同刀具前角，加工后表面损伤深度
在不同进给速度、不同刀具前角时,切削加工后切 削损伤深度如图8所示。

利用多元非线性回归法建立进给速度和刀具前角
对切削力的经验预测模型,如下式：
单向CFRP 部分：
F c = 89.663/°-358y-°-238
(7)化二-10.93护1°3心23
(8)A1合金部分：
几二449.5字⑹严皿 (9)化二 89.66护703于.636
( 10)
从图6和切削力的经验预测模型可得，在叠层材 料切削过程中，进给速度和刀具前角对单向CFRP 部 分切削力的影响小于A1合金部分切削力。

进给速度/
对切削力几的产生有显著影响/的少量增加导致叠 层材料切削力几的大幅提升。

随着刀具前角的增大， 切削力几减小。

从图6b 可得,进给速度和刀具前角对单向CFRP
部分切削力化的影响不明显。

在切削A1合金时，随着
7/(°)
图8不同切削深度、不同刀具前角，加工后表面损伤深度
由于采用不同切削工艺参数，在切削各向异性的
单向CFRP 材料时将会产生不同切削力，同时由于构 成单向板的单根碳纤维丝束的切断力为一定值，因此
在不同切削力作用下，单向CFRP 切削加工后表面将 出现不同程度的损伤。

从图6a 和图8可得，影响切削 损伤的切削力为几,但当刀具前角«大于5。

时，进给
速度/和前角a 对45。

单向CFRP 的切削力和加工后
月§9*刻出滋*乜和%®
87
J ipillB Technology and Manufacture______________表面损伤影响不显著。

利用多元非线性回归法建立进给速度和刀具前角对切削加工后表面损伤深度h的经验预测模型，如下式：
A=0.173f1033y0-432(11)从预测模型可得，进给速度对单向CFRP加工后表面损伤的程度远大于刀具前角。

4结语
(1)将CFRP/A1叠层材料钻削过程中的刀具结构进行简化，建立其二维正交切削宏观有限元模型。

与实验对比,CFRP部分模型与实验之间切削力的最大误差为13.75%,A1合金部分的最大误差为9.62%，同时切屑形态也有较好的一致性,该模型具有较高的精确度。

(2)在CFRP/A1叠层材料的切削加工过程中，需要考虑加工顺序对切削过程的影响。

在二维切削情况下,CFRP—A1的切削顺序优于A1—CFRP的切削顺序，能够产生较小的切削力和CFRP切削后表面损伤。

(3)利用多元非线性回归法建立了CFRP/A1叠层材料切削时进给速度和刀具前角对切削力和切削损伤的经验预测模型。

从模型可得,进给速度/对切削力和切削损伤的产生有显著影响，同时A1合金部分切削力受进给速度和刀具前角影响高于对单向CFRP部分切削力的影响。

(4)当刀具前角a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。

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第一作者：郑华林，男,1965年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为智能制造工艺与装备关键技术,已发表论文80余篇。

(编辑谭弘颖)
(收修改稿日期：2020-09-29)
文章编号：202523
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§9“刻出滋**和雷。