摘要
在实际加工过程中，碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber-Reinforced Plastic，CFRP）的制孔通常采用多工序工艺以优化制孔质量。然而，关于多工序加工中切削表面形成机制的详细解析尚存不足。针对此问题，本文构建了四种典型纤维取向（θ=0°、45°、90°、135°）下的二次切削仿真模型，深入探讨了二次切削过程中切削表面的形成机制及切削损伤的演变模式。研究结果显示，随着主轴转速n的增加，二次切削合力呈现显著的下降趋势；而进给速度Vf的提高则导致二次切削合力显著上升。进一步分析发现，当纤维取向为θ=0°时，首次切削的切削表面损伤对第二次切削的影响相对较小；而当纤维取向为θ=45°、90°或135°时，在第二次切削厚度小于首次切削纤维损伤层深度的条件下，第二次切削能够有效去除首次切削产生的损伤层，且不产生新的纤维损伤，从而显著提升切削表面的质量。
碳纤维增强复合材料（Carbon fiber-reinforced plastic，CFRP）以其轻质、高强度、高比模量等优异性能被广泛应用于国防科技、航空航天等高新技术领域，已逐步成为新型飞行器的首选结构材
目前，国内外诸多学者在CFRP制孔的研究方面做了大量研究。LLIESCU
在CFRP切削机理方面，国内外学者采用实验观测、解析建模和有限元分析等方法进行了大量试验和理论研究。其中，有限元仿真方法可以更为直观地观测到材料去除、纤维破坏、基体破损和界面开裂等过程，备受关注。XU
近年来，国内外学者在CFRP有限元切削仿真方面的做了大量研究，通过有限元仿真较为有效地反映了CFRP材料的切削去除机理，但多数有限元建模分析仅针对CFRP的单工序切削而言，对于CFRP多工序切削的分析鲜有报道。实际上，CFRP在实际切削过程中，不论是单工序切削，还是多工序切削，CFRP内部均包含初始损伤。在切削过程中，这些初始损伤势必影响材料的去除，进而影响制孔缺陷的形成，尤其是在多次切削或多工序切削中，上一刀或上道工序切削残留的切削损伤通常远大于CFRP原有的初始损伤，此时，不得不考虑上一刀或上道工序切削损伤对下一刀或下一工序切削损伤的影响。然而，在多数有限元切削仿真建模过程中，初始损伤的影响往往被忽略，上一刀或上道工序切削损伤对下一刀或下一工序切削损伤影响的研究较为少见。LIU
基于此，为深入揭示CFRP多次切削或多工序加工中切削损伤的演变规律，以及上一刀或上道工序切削损伤对下一刀或下一工序切削损伤的影响机制，本文建立4种典型纤维取向（0°、45°、90°、135°）下二次切削的仿真模型，分析二次切削中切削表面的创成机制。
CFRP由碳纤维和树脂基体复合而成，其中碳纤维在树脂基体中呈随机分布，两者的材料力学性能相差迥异。碳纤维的强度远高于树脂基体，在CFRP切削中，碳纤维的切削成为CFRP材料切削去除的关键，然而两者间的界面和树脂基体在切削过程中的破坏直接决定着CFRP加工缺陷的形成。为尽可能真实和全面地反映不同纤维取向下CFRP切削过程中纤维、基体及界面的断裂失效过程，在CFRP二次切削的切削建模过程中，分别针对4种典型纤维取向（即纤维轴线与切削方向的夹角θ， θ=0°、45°、90°、135°），构建包含纤维、基体和界面三相材料的三维有限元几何模型，如
图1 二次切削微观模型
Fig.1 Micro-model of secondary cutting
实践表明，第一次切削的切削损伤随纤维取向θ和切削厚度ap的变化而变化。为了便于对比分析，4种典型纤维取向下第一次切削的切削厚度（ap1）均取30 μm。初步试验表明，在纤维取向θ=45°和90°时，第一次切削的切削损伤最大深度基本在20～23 μm，为系统对比第二次切削的切削损伤在第一次切削的最大损伤区域附近的变化规律，在以上两个纤维取向下第二次切削的切削厚度（ap2）均在15和30 μm下分别进行分析；纤维取向θ=135°时，第一次切削的切削损伤最大深度在42 μm左右，此时，第二次切削的切削厚度（ap2）在30和60 μm下进行仿真分析；在纤维取向θ=0°下，第一次切削的切削损伤最大深度约为11 μm，基本小于常用刀具材料（硬质合金）的平均刀具顿圆半径，为形成对比，第二次切削的切削厚度亦在15和30 μm下进行了仿真分析。
为了准确模拟切削过程中材料、层间的失效行为，在切削模型中分别定义碳纤维、树脂基体、界面的材料属性和损伤准则等，如
图2 切削仿真模型
Fig.2 Cutting simulation model
试验材料为平纹编织碳纤维树脂基复合材料（T300， 环氧树脂基体， Epoxy resin），纤维体积分数约为60%，密度为1.44 g/c
| Object | Parameter | Value |
|---|---|---|
| Carbon fiber | Fiber elastic modulus | E1=235 GPa, E2= E3=14 GPa |
| Fiber Poisson ratio | ν12=ν13=0.2, ν23=0.25 | |
| Fiber shear modulus | G12=G13=28 GPa, G23=5.5 GPa | |
| Fiber tensile strength | Xt=3.59 GPa | |
| Fiber compressive strength | Xc=3 GPa | |
| Matrix | Matrix elastic modulus | E=2.96 GPa |
| Matrix Poisson ratio | ν=0.4 | |
| Matrix yield strength | σ=74.4 Mpa | |
| Interface | - |
t=60 Mpa, t=t=110 Mpa G=0.33 N/m Knn=4×1 |
| Tool | Cutter rake angle | 20° |
| Cutter clearance angle | 5° | |
| Cutter blunt round radius | 10 μm | |
| Cutting model | Cutter speed /mm/s | 2 093 mm/s |
| Model size /μm | 150×150×26 μm |
试验刀具的刀柄为G2030-120L可调外径环形切槽刀柄，刀片为SPDR300DM10端面切槽刀片，刀片厚度为2.5 mm，孔径可调范围在18~30 mm。根据刀片结构，刀片可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等4部分。其中，Ⅰ为钻尖部分，是参与切削的主要部分，如
（a） 试验平台及刀具
（b） 两种情况切削方向
图3 试验方案
Fig.3 Experimental schemes
为尽可能地区分第一次和第二次切削的切削过程和切削表面，在KVC1050M立式加工中心上采用无冷却方式进行钻-扩划切制孔试验，如
试验后，采用扫描电镜（SEM）及其附带软件分别观测4种典型纤维取向（0°、45°、90°、135°）下第一刀切削和第二刀切削的孔内壁的切削表面形貌。
切削力是反映CFRP加工过程中切削状态的重要参考量，是影响CFRP加工后表面损伤程度的主要因素，故对切削过程中的三向切削力Fx、Fy、Fz分别进行分析。
（a） 切削原理
（b） 切削力的时变特征（n=2 000 r/min， Vf=105 mm/min）
图4 切削原理与切削力的时变特征
Fig.4 Cutting schematic and time-varying characteristics of cutting forces
由图可知，第一次切削过程中，切削力Fx和Fy均在±60 N之间波动，轴向力Fz在50～250 N之间变动。第二次切削过程中，切削力Fx在-40～60 N之间变动，切削力Fy在±20 N之间变动，最大轴向力Fz不超过50 N。从单齿切削力的时变特征来看，第一次切削过程中，由于被吃刀量ap1与切削刃宽度ae为一定值，切削力Fx、Fy两者的峰值几乎相当，最大值相对稳定。在单齿切削过程中，随着切削速度方向的改变，切削力Fx、Fy呈正弦曲线波动，Fx在B、D处分别达到上下峰值，Fy于A、C处分别达到上下峰值。轴向力Fz在刀具切入材料时，由于刀尖与材料发生碰撞，产生较小波动，当达到稳定后，呈平稳趋势波动。在孔出口侧，随着刀具切出材料，刀具切除的材料越来越少，出口侧材料的刚度逐渐减小，切削力逐渐递减。
在第二次切削过程中，刀具自I0点切入材料，从I4点切出材料，切削厚度ap2呈规律性变化，其中，I0～I2 段逐渐递增，I2～I4段呈递减，ap2在I2点达到最大值。由于切削厚度的变化，切削力Fx、Fy均呈周期性波动，每一个周期代表一次划孔切削，单个周期内切削力Fx、Fy的时变曲线可分为I0I1、I1I2、I2I3、I3I4等4个阶段：I0I1段为刀具切入材料阶段，切削厚度ap2不断增大，切削角度φ（刀齿瞬时切削方向与X方向的夹角）增大，切削合力F增大；I1I2段，切削厚度ap2继续增大，切削角度φ减小，切削合力F继续增大，在I2附近Fy达到一个峰值；I2I3段，切削厚度ap2减小，切削角度φ减小，切削合力F减小，在I3附近Fx达到一个峰值；I3I4段，切削厚度ap2继续减小，切削角度φ增大，切削合力F减小。此外，由于二次切削过程为间断性切削，当刀具切入（I0处）和切出（I4处）材料时，刀具与材料发生冲击，会产生较小波动。
研究表明切削力是导致CFRP发生失效损伤的主要因素。平纹编织CFRP二次切削过程中工艺参数对切削合力F2的影响规律如
（a） 转速对切削力的影响
（b） 进给速度对切削力的影响
图5 工艺参数与切削力的关系（θ=135°， ap2=45 μm）
Fig.5 Relationship between process parameters and cutting force
当纤维取向θ=0°时，第一次切削和第二次切削的切削过程较为相似。其中，纤维在前刀面上和刀刃底部的切削断裂形式具有一定差异，如
（a） 第一刀切削的微观形貌 （θ=0°， ap1=30 μm）
（b） 第二刀切削的微观形貌 （θ=0°， ap2=15 μm）
（c） 第二刀切削的微观形貌 （θ=0°， ap2=30 μm）
（d） 第一刀切削后的损伤演化过程 （θ=0°）
图6 切削表面形成过程（θ=0°）
Fig.6 Cutting surface formation process （θ=0°）
当纤维取向θ=45°时，第一次切削和第二次切削过程中，纤维均在接触处发生脆性断裂，与此同时，刀刃后刀面处纤维发生弯曲折断。在第一次切削过程中切削表面易形成细小凹坑，如
由此可见，由于第一次切削和第二次切削过程中树脂基体的破坏方式几乎一致，致使以上两种情形下，第二次切削产生的整体损伤深度基本相等。然而，第二次切削能有效去除第一次切削过程中产生的纤维损伤层，尤其是当第二次切削厚度小于第一次切削损伤层厚度时，第二次切削的纤维损伤与第一次切削的纤维损伤基本相当，即此时第二次切削能在不产生新纤维损伤的基础上，有效去除第一次切削产生的损伤层，而当第二次切削厚度大于第一次损伤深度时，第二次切削纤维损伤深度与第一次基本相当。即当第二次切削厚度小于第一次切削纤维损伤层深度时，第二次切削的切削表面上断裂的纤维段更少。
（a） 第一刀切削的微观形貌 （θ=45°， ap1=30 μm）
（b） 第二刀切削的微观形貌 （θ=45°， ap2=15 μm）
（c） 第二刀切削的微观形貌 （θ=45°， ap2=30 μm）
（d） 第一刀切削后的损伤演化过程 （θ=45°）
图7 切削表面形成过程（θ=45°）
Fig.7 Cutting surface formation process （θ=45°）
当纤维取向θ=90°时，第一次切削和第二次切削过程中纤维的断裂形式基本相似，在接触点处发生断裂的同时，在刀刃下方均发生了弯曲断裂，如
由此可见，当第二次切削厚度小于第一次切削损伤深度时，第一次切削纤维损伤层能被有效去除，且第二次切削的纤维损伤深度有所减小，由于部分纤维低于切削厚度而未被切到，树脂基体切削受力小，其整体损伤深度极小。然而，当第二次切削厚度大于第一次切削损伤深度时，由于第一次切削损伤层的影响，第二次切削纤维损伤和树脂基体整体损伤均有所加剧。
（a） 第一刀切削的微观形貌 （θ=90°， ap1=30 μm）
（b） 第二刀切削的微观形貌 （θ=90°， ap2=15 μm）
（c） 第二刀切削的微观形貌 （θ=90°， ap2=30 μm）
（d） 第一刀切削后的损伤演化过程 （θ=90°）
图8 切削表面形成过程（θ=90°）
Fig.8 Cutting surface formation process （θ=90°）
当纤维取向θ=135°时，纤维的切削断裂方式基本一致，均呈弯曲断裂，如
由此可见，当第二切削厚度小于第一次切削损伤深度时，第二次切削过程中，能确保基本不产生新损伤的基础上，去除第一次切削过程中产生的损伤，当第二次切削厚度大于第一次切削损伤深度时，由于第二次切削过程中无损伤层厚度的降低，致使第二次切削纤维的切削损伤大幅度下降。可见，以上两种情形下，第二次切削均能有效地提高切削表面质量。
（a） 第一刀切削的微观形貌 （θ=135°， ap1=30 μm）
（b） 第二刀切削的微观形貌 （θ=135°， ap2=30 μm）
（c） 第二刀切削的微观形貌 （θ=135°， ap2=60 μm） .
（d） 第一刀切削后的损伤演化过程 （θ=135°）
图9 切削表面形成过程（θ=135°）
Fig.9 Cutting surface formation process （θ=135°）
综上可见，当纤维取向θ=0°时，第一次切削的切削表面损伤对第二次切削的影响较小，尤其是当第二次切削的切削厚度远大于第一次切削表面损伤时影响很小；当纤维取向θ=45°时，第二次切削能有效去除第一次切削过程中产生的纤维损伤层，尤其当第二次切削厚度小于第一次切削纤维损伤层深度时，在不产生新纤维损伤的基础上，能有效去除第一次切削产生的损伤层，但由于第一次和第二次切削过程中树脂基体的破坏形式基本相同，致使第二次切削的整体损伤与第一次基本相当，此时，第二次切削的切削表面光洁度有所改善，而第二次切削的切削表面整体损伤程度变化较小；当纤维取向θ=90°时，当第二次切削厚度小于第一次切削损伤深度时，第一次切削纤维损伤层能被有效去除，且第二次切削的纤维损伤深度有所减小，由于部分纤维低于切削厚度而未被切到，树脂基体切削受力小，其整体损伤深度极小，第二次切削的切削表面质量有较大提高；当纤维取向θ=135°时，第二次切削厚度不论小于还是大于第一次切削损伤深度，第二次切削均能有效地提高切削表面质量。
通过有限元仿真分析和试验研究，可见第一次切削的切削损伤对第二次切削的切削损伤存在一定的影响关系：
（1） 当纤维取向θ=0°时，第一次切削的切削表面损伤对第二次切削的影响较小；
（2） 当纤维取向θ=45°时，第二次切削能有效去除第一次切削过程中产生的纤维损伤层，尤其当第二次切削厚度小于第一次切削纤维损伤层深度时，在不产生新纤维损伤的基础上，能有效去除第一次切削产生的损伤层；
（3） 当纤维取向θ=90°时，当第二次切削厚度小于第一次切削损伤深度时，第一次切削纤维损伤层能被有效去除，且第二次切削的纤维损伤深度有所减小；
（4） 当纤维取向θ=135°时，第二次切削厚度不论小于还是大于第一次切削损伤深度，第二次切削均能有效地提高切削表面质量。
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