【工件|科研一角 | 纤维角度对CFRP材料超声磨削性能的影响分析】纤维角度对CFRP材料超声磨削性能的影响分析
针对碳纤维复合材料(CFRP)单层板建立宏观正交超声磨削有限元模型,研究CFRP材料超声磨削加工中,纤维角度对应力分布、磨屑形貌以及加工表面质量的影响规律.研究结果表明:在CFRP材料超声磨削加工中CFRP,纤维角度为45°时,应力值最大,其次从大到小依次为0°、90°、135°;当纤维角度为0°时,磨屑形状为束状,45°的磨屑为小的条状,135°的磨屑主要为小块状,而90°纤维角度下的磨屑则为更小的块状;在纤维角度为0°时,CFRP材料超声磨削加工后表面有较少凹坑,表面质量最好,90°纤维角度表面质量较好,表面有少量的毛刺和凹坑出现,135°的较差,表面会出现凹坑和高低不平现象,而45°的最差,加工后表面有较多的毛刺及凹坑.
1. 有限元分析模型建立
在加工过程中磨粒的磨削深度远小于其与工件的接触弧长,磨粒在接触弧上一小段范围内的运动可近似为直线运动,从而建立不同纤维角度下的CFRP材料正交超声磨削加工模型,如图1所示
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工件尺寸为2 mm×1 mm,纤维角度α分别取0°、45°、90°和135°.因切削时间较短,不考虑刀具磨损的影响,所以刀具直接采用解析刚类型进行建立,刀具形状即磨粒形状为三角形,顶角θ为90°. 工件材料的相关属性参数如表1所示,工件采用CPS4R四结点双线性平面应力四边形单元进行网格划分,并对切削区域的网格进行加密,加密后网格平均尺寸为8μm.同时在边界条件设置方面,对工件底部进行完全固定约束,刀具的水平进给速度为60 mm/s,磨削深度为0.15 mm,垂直于工件表面的超声频率为20kHz,超声振幅为8 μm.通过ABAQUS仿真软件建立的CFRP材料超声磨削有限元分析模型 。
2. 仿真结果及分析
当纤维角度为 45°时 ， 切削应力最大 ， 最大应力约为 751 MPa ， 这是因为在加工过程中 ， 磨粒的前刀面与工件中的纤维方向呈 90° ， 在接触部位工件中纤维受到由水平向前的进给力与竖直向下的挤压力共同所产生的挤压作用 ， 其合力方向平行于纤维方向 ， 同时又受到纤维两侧材料对其的支撑作用．由表 1 可知 ， 沿着纤维方向的弹性模量为 181 GPa ， 相对较大 ， 要使材料发生变形破坏所受的应力也较大．随着磨粒的进给 ， 对纤维的挤压作用不断增大 ， 当纤维所受到的切削力大于材料的压缩强度时 ， 材料发生断裂．同时 ， 在接触部位工件又受到超声振动作用 ， 超声振动以动态应力波的形式同时沿水平和竖直两个方向传播 ， 对工件中的纤维进行冲击 ， 由于超声应力波的能量传播方向分别与两分力方向一致 ， 在超声冲击力与普通磨削力的共同作用下 ， 纤维断裂速度加快．纤维角度为 0°时 ， 最大应力约为 553 MPa ， 小于 45°．这是因为磨粒进给方向与工件中纤维方向平行 ， 在相互作用部位工件同样受到水平向前的进给力和竖直向下的压力 ， 而工件中纤维主要在水平进给力的作用下受到挤压破坏 ， 由表 1 可知 ， 材料的压缩强度小于其拉伸强度 ， 随着水平方向上挤压作用的增大 ， 纤维发生微变形 ， 同时 ， 在无外力支撑的条件下 ， 接触部位超声的往复振动产生的瞬态部分沿水平方向传递 ， 工件在受到磨削的同时又受到瞬态能量的冲击 ， 在两种不同冲击力的作用下 ， 材料发生破坏断裂．纤维角度为 90°时 ， 最大应力约为 373 MPa ， 相对较小 ， 由于工件受到水平进给力和沿纤维方向的压力 ， 在纤维方向 ， 纤维受到压缩作用 ， 在进给力方向 ， 纤维受到剪切作用．由表 1 知 ， 垂直于纤维方向的弹性模量为 10．3 GPa ， 相对较小 ， 而材料的剪切强度小于其压缩强度 ， 因此材料在压缩和剪切作用下易被去除．同时对磨粒沿垂直于工件表面施加往复的超声振动 ， 由于施加的超声波为纵波 ， 传播方向与振动方向一致 ， 因而在竖直方向上作用更明显 ， 而且超声振动方向又与工件中纤维方向一致 ， 因而工件中纤维直接受到瞬态能量的冲击 ， 又由于脆性材料承受冲击能力差 ， 因此更易实现去除．当纤维角度为 135°时 ， 磨粒的前刀面和工件中纤维方向平行 ， 合力方向垂直于纤维方向 ， 纤维受到剪切作用而发生剪切破坏．由表 1 知 ， 垂直于纤维方向的弹性模量较小 ， 工件材料的剪切强度为 60 MPa ， 相对较小 ， 当达到其剪切强度时 ， 材料发生断裂 ， 此时整体所受的应力最小 ， 最大约为267 MPa．同时由于前刀面与工件接触 ， 垂直于纤维方向上的超声冲击分量直接作用在纤维上 ， 其方向与合力方向一致 ， 在超声冲击下使得纤维更易发生剪切断裂 ， 又由于其断裂强度较低 ， 因此在切削力和超声力的共同作用下 ， 材料极易被去除 ， 整体切削效果最佳 。
3. 结论
通过对 CFＲP 材料单层板建立宏观正交超声磨削有限元模型 ， 研究 CFＲP 材料超声磨削加工中 ， 纤维角度对应力分布、磨屑形貌以及加工表面质量的影响规律 ， 得到以下结论:
( 1) 当纤维角度为 45°时 ， 纤维受到两个分力的共同挤压作用 ， 同时又受到超声的冲击力 ， 其合力方向平行于纤维方向 ， 沿着纤维方向的弹性模量较大 ， 要使材料发生破坏所受的应力也较大 ， 约为 751 MPa; 纤维角度为 0°时 ， 纤维上方的支撑能较弱 ， 在水平方向的进给力和超声冲击分量作用下更易压断 ， 切削应力小于 45° ， 约为 553 MPa; 纤维角度为 90°时 ， 纤维在剪切分量和超声振动的作用下 ， 纤维易被切断 ， 切削应力较小 ， 约为 373MPa; 纤维角度为 135°时 ， 直接受到磨粒剪切以及超声冲击作用 ， 纤维更易被剪断 ， 所受应力最小 ， 约为 267MPa;
( 2) 当纤维角度为 0°时 ， 纤维在挤压和超声振动共同作用下易与基体脱离 ， 从而形成束条状;纤维角度为 45°时 ， 纤维在挤压、超声作用下发生弯曲断裂被挤压排出 ， 形成小的条状磨屑; 纤维角度为 90°时 ， 纤维受到压缩和剪切作用 ， 同时又有超声冲击作用 ， 在共同作用下 ， 材料被去除形成较小的块状磨屑; 纤维角度为 135°时 ， 纤维受到剪切力和超声冲击分力的作用 ， 在两种作用力下 ， 工件在刀尖附近极易发生直接断裂 ， 从而形成小块状磨屑 。
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