[发明专利]一种碳纤维增强复合材料切削比能型谱的构建方法

说明书

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=Fctac]]>

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