刀具几何参数对GFRP复合材料切削力的影响仿真研究
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2024-10-29 17:04
四川
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张议囡，于晓琳，黄树涛，许立福，张玉璞，刘成炜. 刀具几何参数对GFRP复合材料切削力的影响仿真研究[J]. 工具技术, 2024, 58(7):119-124.Zhang Yinan，Yu Xiaolin，Huang Shutao，Xu Lifu，Zhang Yupu，Liu Chengwei. Simulation study on influence of tool geometry parameters on cutting force of glass fiber reinforced composite materials[J]. Tool Engineering, 2024, 58(7):119-124.玻璃纤维增强复合材料是以环氧树脂为基体、玻璃纤维为增强体系的复合材料，因具有良好的绝缘性和抗腐蚀性以及轻质高强等优点，在航空航天等领域得到大量应用，也受到越来越多的国内外学者重视。然而玻璃纤维复合材料具有各向异性和层间强度低等特点，容易产生断裂毛刺等表面缺陷，净成型精度不高，工件导热性差，散热不好，刀具易磨损造成耐用度降低，切削力受刀具几何参数的影响较大，同时切削力又对刀具的耐用度影响较大。目前，国内外学者对玻璃纤维复合材料的研究有很多，主要集中在切削参数、切削方式与切削力和表面质量之间的关系，而对于刀具几何参数的研究较少。在铣削方面，田宏飞等对玻纤复材进行铣削实验发现，选取合适的主轴转速和进给速度可以获得理想的表面质量，并且顺铣时的表面质量更好；吴高潮以碳纤维复合材料为实验对象进行研究，结果表明，当铣刀前角达到7°时，加工过程中产生的毛刺以及前刀面的磨损较少；Prashanth I.S.N.V.R.等使用不同的端铣刀切削加工玻璃纤维复合材料，结果表明，影响切削力的最主要因素是进给速度，影响已加工表面粗糙度的最主要因素是主轴转速，同时已加工表面纹理的扫描观测显示，采用定制的立铣刀进行加工时表面缺陷较低。在钻削方面，Birhan I![]()
k等通过不同的切削速度及进给速率研究了钻孔对GFRP复合材料表面质量的影响，结果表明，纤维直接影响切屑的形成，且入口区和出口区采用不同的切削参数及刀具刃数能有效减小钻孔的分层损伤；姜旭等利用ABAQUS软件对碳纤维增强复合材料进行了钻削仿真研究，结果发现，主轴进给速率、钻头直径与轴向力之间呈正比关系，当两者都增加时轴向力呈增大趋势，另一方面，主轴转速和轴向力之间呈反比关系。在车削方面，Ahmet Yardimeden对玻璃纤维增强复合材料进行了车削实验，研究切削参数与切削力及已加工表面粗糙度的关系，结果表明，当进给量增加时，表面粗糙度变大，反之亦然；当切削速度增加时，表面粗糙度降低。刃口半径也是重要的刀具几何参数，国内外研究人员对刃口半径与切削力之间的关系做了大量探讨分析。Imad Mohamd等通过有限元软件研究了刃口半径与铣削淬硬钢切削力之间的关系，结果发现，刃口半径与切削力呈正比关系，刃口半径增大切削力也逐渐增大。武卫洲等以CFRP为研究对象，对铣削过程进行二维仿真，研究发现，当纤维方向是45°时，刃口半径增大时，切削力也随之增大。许伟静等以单晶硅金刚石为研究对象，研究刃口半径与车削稳定性之间的关系，结果表明，背吃刀量与刃口半径的比值大于0.2时能够实现稳定切削。Li Peng等通过有限元模拟分析了刃口半径与切削力分量之间的关系，得出随着刃口半径的增大，切削力亦呈增大趋势。综上所述，针对玻璃纤维复合材料加工中刀具几何参数与切削力之间的关系研究较少。因此，本文以玻璃纤维增强复合材料为分析对象，基于ABAQUS仿真软件建立二维模型，研究刀具前角、后角、切削刃半径与切削力之间的关系。通过ABAQUS软件建立的玻璃纤维增强复合材料的二维切削有限元模型如图1所示，其中网格类型设定为CPS4R，工件尺寸为4mm（长）×2mm（高）。二维Hashin包含2个方向，分别是1（纤维）方向和2（基体）方向，在ABAQUS软件中通过定义材料方向来表征玻璃纤维的方向以启动Hashin准则，设定单层板的厚度为1mm，纤维方向45°。工件底部完全固定，接触为表面与表面接触。本文所用玻纤复材性能参数见表1和表2。设刀具材料为硬质合金，密度为15000kg/m3，弹性模量为705GPa，泊松比0.223，为了方便分析，将刀具设置为刚体。在切削速度v=145mm/s、切削深度ap=1mm的条件下建立仿真试验方案，仿真方案见表3。如图2所示，改变刀具前角（方案一）得到前角对切削力的影响，主切削力、切深抗力、切削合力分别用Fx，Fy，F合表示。可知，切削力一开始呈增大趋势，这是因为当刀具刚刚切入时，并未达到纤维的断裂极限，切屑没有被剥落，达到剪切极限之前切削力会一直增大；进入稳定切削时，切削力出现上下波动，主要原因是纤维复合材料中纤维占比大且半径小，纤维在工件中占比不连续，且复合材料中的玻璃纤维属于增强体，硬度大，刀具和纤维之间的切割不连续，因此切削力上下波动。不同前角对应的平均切削力结果如图3所示，图4为两种不同前角（4°，15°）形成的切屑对比。v=145mm/s，ap=1mm，刃口半径0.4mm，后角7°由图3可以看出，主要由Fx影响切削合力的大小，切削力整体呈下降趋势的原因主要为：前角增大时，刀具更锋利，锋利的刀具使GFRP切屑更容易分离；增大前角会使刀具与工件之间的空间增大，切屑更容易流出，切屑对前刀面的正面冲击力在减小的同时，其摩擦力亦会减小，所以切削力减小。由图4可直观看出，不同前角下前刀面堆积的切屑量不同。当前角为3°时，刀具与工件之间的相对距离较小，并且分离的碎屑积聚在刀具前部，增大了切屑对前刀面的摩擦力；当前角为15°时，刀具与工件之间的距离增大，切屑容易流出，不易堆积在前刀面，减小了刀具与工件之间的摩擦阻力。因此小前角刀具的切削力比大前角刀具的切削力更大。改变刀具后角（方案二）得到的仿真结果如图5所示。可知，切削力在切入阶段突然增大，这是因为当刀具还没有完全进入工件时，刀具后刀面和已加工表面之间的挤压力和摩擦力在逐渐增大，直至刀具完全进入切削稳定区域。v=145mm/s，ap=1mm，刃口半径0.4mm，前角6°可明显发现，切削力先呈下降趋势，随着后角的增大，再呈增大趋势。由于后角的大小直接影响刀具与工件之间的接触面积，刀具后刀面与纤维表面之间的摩擦对切削力的影响较为重要。在仿真试验过程中，纤维首先受到刀尖横向剪切进而受到后刀面向下的挤压，由于后刀面不断挤压纤维，刀具和纤维之间的挤压力增大，随着刀具后角的增加，刀具与已加工纤维之间的摩擦范围逐渐减小，刀具与纤维之间的摩擦力也会逐渐减小，此时纤维受到刀尖的横向剪切更多，刀具所要克服的摩擦力自然减小，挤压力也随之降低。改变刃口半径（方案三）得到的仿真结果如图7所示。可以看出，随着刃口半径的增大，波形图的变化范围逐渐变小。当R＝0.05mm时，切削合力的变化范围在30N左右，此时切削力变化幅度较大；当R＝0.2mm时，切削合力变化范围为25N左右；当R＝0.4mm时，合力变化范围为20N左右；当R＝0.8mm时，切削合力的波动仅在10N左右；最小的变化范围出现在R＝1.2mm时，合力的变化范围为5N左右。Y方向的切深抗力逐渐增大，这主要是因为刃口半径不断增大产生较大的负前角，刀具对材料逐渐由剪切变成挤压，刀具与材料法向上的静水压力增大，相当于玻璃纤维增强复合材料发生脆塑转变行为。图8为不同刃口半径（0.4mm，1.2mm）的仿真云图。图8对比了刃口半径分别为0.4mm和1.2mm时形成的切屑，1.2mm的刃口半径形成的切屑明显更少，此时工件更多发生弹性变形而非剪切行为。图9为不同刃口半径对切削力的影响折线图。可以清晰看出，随着刃口半径增加，切削力表现出先减小后增大的趋势。这是因为当刃口半径增加时，刀具会形成有效前角，相当于增大了前角，所以切削力会呈下降趋势。5组参数中切削力在刃口半径为0.4mm时达到最小，但当刃口半径大于0.4mm时，切削力随之增大。这是由于半径增大到某一范围后，切削刃由锋利变钝，导致切削力增加。v=145mm/s，ap=1mm，前角6°，后角7°通过ABAQUS软件对玻璃纤维增强复合材料进行二维切削仿真，得到如下结论。（1）刀具前角与切削力之间的关系为：当刀具前角由3°增大到12°时，对应的切削力减小；当前角由12°增大到15°时，切削合力和主切削力有微小上升趋势。（2）后角与切削力之间的关系为：当刀具后角由2°增大到12°时，切削力减小；由12°增大到22°时，切削力增大。（3）刃口半径与切削力之间的关系为：当切削刃半径由0.05mm增大到0.4mm时，切削合力和主切削力减小，切深抗力呈增大趋势。当切削刃由0.4mm增大到1.2mm时，切削力增大，切削力的变化范围随着刃口半径的增大一直减小。这主要是因为增大刃口半径刀具对工件的行为更多为弹性变形，而非剪切行为。⊙文章版权归《工具技术》所有，欢迎转发，转载请联系。E-mail：toolmagazine@chinatool.nethttp://gjjs.cbpt.cnki.net工研所官方微信
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