碳纤维增强复合材料（CFRP）由于具有比强度高和比刚度高等优异力学性能，广泛应用于航空航天等领域。由于碳纤维、环氧树脂基体和纤维-基体界面之间存在显著差异，在 CFRP 切削过程中很容易引起亚表面损伤，制约工件的使用寿命。在过去的几十年中，大量学者致力于通过阐明其基本的加工机制以及弄清楚它们的加工参数依赖性来提高CFRP复合材料的可加工性，但将CFRP材料的非均匀性、各向异性和温度敏感性综合考虑的有限元模型并不多见。
2021年，哈尔滨工业大学Zhang Junjie老师团队在力学Top期刊《COMPOSITE STRUCTURES》发表了CFRP热力耦合有限元模拟方面的研究工作，论文标题为“Finite element investigation on pretreatment temperature-dependent orthogonal cutting of unidirectional CFRP”，第一作者为哈尔滨工业大学精密工程研究中心Han La，通讯作者为Zhang Junjie老师和Liu Yuan老师。
在这项工作中建立了一种考虑热-力耦合效应的CFRP宏观3D正交切削有限元模型，该模型能够表示材料的低温脆化和高温软化。结合Hashin和Puck断裂准则来判断基体和纤维的断裂失效，基于断裂能量损伤算法表征损伤后的退化行为，揭示了 UDCFRP 复合材料的切削机理，特别强调了低温和加热预处理对CFRP正交切削的影响。
为研究温度预处理对加工不同纤维方向角的CFRP（0°、45°、90° 和 135°）切削机理，将工件的初始温度分别设定为77 K、255 K、300 K和420 K，刀具的初始温度保持在300 K。三维UD-CFRP正交切削的有限元模型如图1所示。
图1 (a)CFRP正交切削有限元模型 (b)纤维取向相对于切削方向的示意图 (c)CFRP正交切削实验装置
图2（a）显示了CFRP复合材料的杨氏模量和热膨胀随温度的变化，表明随着温度的升高，沿着纤维方向的热膨胀也急剧增加，但垂直于纤维方向的热膨胀与温度无关。如2（b）所示纤维和基体的损伤起始标准都与复合材料的材料强度密切相关，复合材料的强度依赖于工作温度。
图2 CFRP随温度变化的材料性能 (a)杨氏模量和热膨胀系数 (b)材料强度
在室温300K下，纤维取向为90°的UD-CFRP正交切削时切削力和刀具最高温度的变化曲线如图3所示。从图3（a）可以看出，通过有限元模拟和实验获得的切削力变化趋势相近，首先是在刀具穿透工件表面的初始阶段快速增加，然后是围绕一个恒定值的剧烈波动。由于切削模拟中的真空环境，有限元模拟的切削力恒定值为60N/mm，比实验的50N/mm高出16.67%，而在实验切削过程中，大气环境中存在不可避免的阻力效应。
图3 室温300K下纤维方向为90°的UD-CFRP正交切削时切削力和刀具最高温度的变化图
在室温 300 K 下通过仿真和实验获得的加工表面形貌和应力分布如图4所示。从图 4(a) 和(c) 可以看出，FE模拟结果和实验观察均表明在加工表面上形成了大量的凹坑和凹槽。图(a) 表面粗糙度Sa为2.53μm，图(d)Sa为1.89μm。图(b)表明加工表面残余应力在0到40 MPa 范围内变化，其分布与表面形貌没有明显关系。
图4 室温300K下纤维取向为90°的CFRP材料加工表面的形貌(a)和残余应力(b)有限元模拟和加工表面的实验表征(c)扫描电镜和(d)白光干涉仪
图5(a)(c),(b)(d)分别为在 263 K（低温切削条件）和 303 K（干切削条件）的不同预处理温度的正交切削过程后，纤维取向为90°的CFRP的加工表面轮廓。由图可知低温条件下的加工表面比干切削条件下的加工表面更粗糙。在低温切削条件下，随着环氧树脂的脆性加强，基体开裂区域趋于扩大，从而导致加工表面不均匀，如图（a）和（c）所示。相比之下，干燥条件下虽然形成了由压缩应力引起的纤维断裂横截面，但在干燥条件下，基体开裂的传播受到部分抑制，从而产生了光滑的加工表面，如图（b）和（d）所示。
图5 预处理温度下纤维取向为90°的CFRP加工表面特征的有限元模拟和实验结果(a)和(c)263 K；(b)和(d)303 K
图6是在各种预处理温度下加工后纤维取向为 90°的 CFRP 表面形貌, 可以看出加工表面质量的极差值随着预处理温度的升高而增加，这意味着在加工表面上更易形成由纤维拉出和基体失效引起的空腔。因此在255 K的相对较低的预处理温度下，加工过程中产生的热损伤可被低温预处理有效抑制，有利于获得更优的CFRP加工表面质量。
图6 在各种预处理温度下加工后纤维取向为 90°的 CFRP 表面形貌：
（a）77 K（b）255 K（c）300 K 和（d）420 K
基体开裂分布强烈依赖于预处理温度，如图7所示。由于环氧树脂在较低温度下的显著脆性随着预处理温度的降低，基体开裂区域的深度和体积都会增加。高预处理温度可部分抑制基体裂纹的扩展。此外，在预处理温度较低的情况下，基体裂纹更有可能沿着纤维方向（图7中的Y方向）纵向扩展。相反，随着预处理温度的升高材料逐渐表现出整体抗裂纹扩展能力，导致裂纹横向扩展，如图7所示的X方向所示。
图7 不同预处理温度下纤维取向为90°的CFRP正交切削中基体开裂的分布：（a）77 K（b）255 K（c）300 K 和（d）420 K
图8为纤维取向为90°的CFRP在不同预处理温度下正交切削时纤维损伤的分布图。纤维的损伤区域随着预处理温度的升高而扩大，特别是在较高的前处理温度下，基体对纤维的支撑作用减弱。低温预处理温度下由于环氧基体的强度提高，基体对纤维的支撑作用增强，纤维易于去除，因此低温预处理温度下纤维损伤区域较小且较浅。
图8 不同预处理温度下纤维取向为90°的CFRP正交切削中纤维损伤的分布：（a）77 K（b）255 K（c）300 K 和（d）420 K
文章对温度预处理UD-CFRP复合材料的正交切削过程进行了宏观有限元模拟，重点研究了热-力耦合对材料微观变形行为和相关宏观加工结果的影响。结果表明低温预处理后，纤维和环氧树脂基体都以脆性模式断裂，会加剧基体失效导致的面下损伤，加热预处理引起基体软化会加剧由于纤维压碎而导致的表面下损伤。研究结果为合理设计温度预处理策略以提高CFRP复合材料的可加工性提供了指导。
原始文献
Han La, Zhang Junjie, Liu Yuan, et al. Finite element investigation on pretreatment temperature-dependent orthogonal cutting of unidirectional CFRP[J]. Composite Structures, 2021, 278.
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114678
稿件整理：程耀天
联系客服
