[發明專利]碳纖維增強復合材料單向層合板二維切削力的建模方法

在審

• 申請號: 201610111232.3
• 申請日: 2016-02-29
• 公開（公告）號: CN105678026A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 陳明;文亮;明偉偉;安慶龍;蔡曉江
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 祖志翔

技術領域

本發明涉及的是碳纖維增強復合材料單向層合板的切削加工，具體涉及的是一種 基于方向性切削比能的碳纖維增強復合材料單向層合板二維切削力的建模方法，屬于機械 切削加工技術領域。

背景技術

一般金屬材料較為經典的二維切削力的建模主要是建立在剪切滑移假設基礎上 的，認為在金屬材料的切削加工過程中存在一個剪切滑移面，剪切滑移面上的工件材料達 到剪切應力極限后沿剪切角產生滑移，并形成最終的切屑。金屬材料正交切削時剪切角的 較為經典的計算公式有M.E.Merchant模型和LeeandShaffer模型。碳纖維增強復合材料 (CarbonFiberReinforcedPolymer，簡稱CFRP)作為最具代表性的一種先進的樹脂基復 合材料，其具有比強度和比剛度大、耐腐蝕等諸多優勢。CFRP單向層合板在正交切削試驗過 程中的力學行為特征以及不同方向上的材料去除機理與纖維方向存在著顯著的相關關系， CFRP單向層合板的二維切削力建模必須首要考慮材料的各向異性，即纖維方向角(θ)必須 作為重要參數引入到力學模型中。目前主要的CFRP材料二維切削力建模的研究現狀，可以 看到延續了金屬材料的建模思路，主要以假設在CFRP材料的切削加工中仍然存在一個剪切 滑移面，并且認為CFRP材料在剪切面上的破壞是沿兩個方向完成的：一個是沿0°纖維方向 的纖維－樹脂界面剪切分離，一個是沿90°纖維方向的纖維剪切斷裂分離。雖然此類理論模 型在一定程度上從材料去除機理上解釋了CFRP單向層合板切削時的力學行為，但受限于剪 切滑移明顯不適應于逆纖維方向角的情況，因此在應用時對纖維方向有限制。另外，為擴大 模型在單向長纖維增強類材料中的適用廣度，該類理論模型一般僅基于CFRP材料的力學性 能，并不引入基礎切削試驗的數據，使得到的切削力模型在應用時預測精度并不令人滿意， 導致在指導切削工藝優化、刀具設計時缺乏定量的指導意義。

經對現有文獻檢索，至今未發現基于在不同纖維方向角下切削比能的CFRP二維切 削切削力建模方法的公開報道。

發明內容

本發明的目的在于，克服現有技術存在的上述不足，提供一種碳纖維增強復合材 料單向層合板二維切削力的建模方法，基于基礎切削試驗數據，引入對纖維方向角、切削速 度兩種對切削比能影響最顯著的因素的考慮，得到一種考慮了各向異性、預測精度更高、工 程實用性更強的CFRP材料切削力預測模型。

為達到上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的：

一種碳纖維增強復合材料單向層合板二維切削力的建模方法，其特征在于，所述 建模方法基于方向性切削比能建立碳纖維增強復合材料單向層合板的二維切削力模型，該 二維切削力模型中的方向性切削比能包含碳纖維增強復合材料的切斷機理和由纖維方向 角所導致的碳纖維增強復合材料各向異性的因素，使所述二維切削力模型能夠預測不同纖 維方向角下的二維切削力。

進一步地，所述建模方法包括以下步驟：

第一步，取纖維方向角θ分別為0°、90°和135°進行碳纖維增強復合材料單向層合 板二維切削實驗，獲得碳纖維增強復合材料單向層合板二維切削力的建模用基礎數據。

第二步，依據第一步中纖維方向角θ為0°和90°的切削實驗所獲得的基礎數據，建 立任意順纖維方向角下的碳纖維增強復合材料單向層合板的二維切削力模型。

第三步，依據第一步中纖維方向角θ為0°和135°的切削實驗所獲得的基礎數據，建 立任意逆纖維方向角下的碳纖維增強復合材料單向層合板的二維切削力模型。

進一步地，所述的任意順纖維方向角是指，0°≤θ≤90°范圍內的任一纖維方向角θ。

進一步地，所述的任意逆纖維方向角是指，90°＜θ＜180°范圍內的任一纖維方向角θ。

本發明的另一技術方案如下：

一種上述碳纖維增強復合材料單向層合板二維切削力的建模方法的應用，其采用 所述建模方法獲得的碳纖維增強復合材料單向層合板的二維切削力模型預測切削過程中 碳纖維增強復合材料不同纖維方向角下的二維切削力，并用于碳纖維增強材料的切削刀具 的設計和制造以及切削工藝路線和參數的確定。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：