【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 5 顯示了在切割過(guò)程中取 v=1m/min， pa =30 m? 時(shí)的纖維變形（藍(lán)色線）和纖維基體界面脫粘 – 深度的變化（紅色線）。當(dāng)施加超聲振動(dòng)，頻率kHzf ? ， CDVA 切削中， a= m? ， b=0 m? ； NDVA 切削中， a=0 m? ，b= m? ； EVA 切削中， a= m? ， b= m? 。 圖 5（ a）描述了一個(gè)在傳統(tǒng)切削過(guò)程中纖維的變形。很明顯，由于刀具的連續(xù)壓。纖維向刀具前彎曲。增加的偏轉(zhuǎn)與工具的前直到在 t = 248 s? ，纖維斷裂。通常，纖維與基質(zhì)脫粘深度是用來(lái)描述損傷程度。在這種情況下，纖維隨著變形的增加的，脫膠出現(xiàn)在 t= 23μ s 的第一時(shí)間，隨著刀尖到纖維的脫粘滲透深度的增加，最終 最大深度 h= m? 。顯然，傳統(tǒng)的方法會(huì)導(dǎo)致較大的工件變形，導(dǎo)致很深的傷害，切割材料效率低。 當(dāng)振動(dòng)作用于進(jìn)給方向的切削，即，示于圖 5（ b）的 CDVA 切削，所得到的速度由進(jìn)給速度和振動(dòng)速度的確定。在開(kāi)始時(shí)，進(jìn)給率和振動(dòng)速度在同一方向，與傳統(tǒng)的 t=23 m? 相比，導(dǎo)致纖維與基體脫粘在 t=3 m? 時(shí)。隨著脫粘深度不斷增加這兩成分急劇增加到最大的合成速度和 0 然后下降（ t = 10 μ s）。之后，切割尖端開(kāi)始向后移動(dòng)，由于振動(dòng)的相移，脫粘停止向下傳播，在第一切削循環(huán)達(dá)到其最大深度（ h= m? ）。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到第二切削循環(huán)開(kāi)始，t=59 s? 時(shí)，由此帶來(lái)的脫粘進(jìn)一步傳播。最后，纖維在第三切削循環(huán)斷裂，t=121 s? ，脫粘深度 h= m? 。顯然，在切削方向的振動(dòng)的應(yīng)用不僅改善了表面質(zhì)量（三分之一的脫粘深度降低），而且提高了加工效率。 當(dāng)振動(dòng)施加垂直于進(jìn)給方向，即，該 NDVA 切割圖 5 所示（ C），這是明顯的垂直振動(dòng)的應(yīng)用帶來(lái)的速度連續(xù)變化，從而改變刀具的最初直線軌跡。因此，刀具的相關(guān)運(yùn)動(dòng)，沿纖維軸產(chǎn)生額外的摩擦使纖維斷裂前，減少脫層的穿透深圖 。 a：傳統(tǒng)切削（ ap=30μm， v=1m/min）， b： CDVA 切削（ ap=30μm，v=1m/min， f=， a=， b=0μm）， c:NDVA 切削（ ap=30μm， v=1m/min， f=，a=0μm， b=)， d:EVA 切削 （ ap=30μm， v=1m/min， f=， a=， b=)。 20 度。另外，切削速度下只 占半個(gè)振動(dòng)周期，這使得保持粘合深度進(jìn)一步縮短。可以看出，垂直振動(dòng)的應(yīng)用還可以提高表面質(zhì)量和提高切削效率。 當(dāng)應(yīng)用橢圓振動(dòng)，如圖 5（ d）， EVA 切削融合了 CDVA 和 NDVA 的優(yōu)點(diǎn)。顯然，EVA 切削僅僅就是在 CDVA 和 NDVA 運(yùn)動(dòng)合成。然而，這種合成帶來(lái)了極為優(yōu)越的特性。一方面，水平振動(dòng)的應(yīng)用有助于早出現(xiàn)脫粘（同 CDVA 切割）和增加法向力對(duì)纖維啟動(dòng)纖維早期斷裂。另一方面，垂直振動(dòng)改變刀具軌跡帶來(lái)更高的沿纖維摩擦加速斷裂（纖維斷裂在 t=7 s? 時(shí)）。同時(shí)，這大大縮短了時(shí)間跨度，阻礙脫粘擴(kuò)展，使脫粘深度 h=，比其他所有的切削過(guò)程以上討論的要小。 圖 6顯示了碳纖維復(fù)合材料表面的傳統(tǒng)和振動(dòng)輔助切削加工方法，在脫粘區(qū)已用紅色線強(qiáng)調(diào)了?？梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)的切割時(shí)產(chǎn)生大量的脫粘區(qū)，導(dǎo)致在表脫粘區(qū) 圖 復(fù)合材料加工后表面。 a：傳統(tǒng)切削（ ap=30μm， v=1m/min）， b:EVA 切削（ ap=30μm，v=1m/min， f=， a=， b=)。 21 面下很深的傷害，如圖 6（ a）所示。振動(dòng)輔助切削在很大程度上提高加工表面完整性。如圖。 6（ b）， CDVA 切削（在切割方向振動(dòng)）加速了在非常接近刀具纖維相互作用區(qū)的附近纖維斷裂，并且因此纖維基質(zhì)剝離區(qū)域小得多。然而，由于沿切割方向的 切割工具的頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，纖維和基體的表面也脫膠。圖 6（ c）顯示了 NDVA 切割表面質(zhì)量（振動(dòng)垂直于切割方向），這表明應(yīng)用振動(dòng)降低纖維基體界面脫粘有效。然而，在 NDVA 切削中，由于刀具在垂直方向上的纖維往復(fù)滑動(dòng)，刀具 – 纖維接觸位置瞬間變化。因此，纖維上的斷裂點(diǎn)是不可預(yù)測(cè)的，導(dǎo)致一個(gè)不規(guī)則的破裂面。最佳的表面質(zhì)量是由 EVA 切削產(chǎn)生，不僅使表面更加光滑，而且纖維基體界面脫粘區(qū) – 最小化，如圖 6（ d）所示。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與從上述模型預(yù)測(cè)的吻合良好。 脫粘深度 切削深度 EVA 切削 EDVA 切削 CDVA 切削 傳統(tǒng)切削 圖 基體脫粘深度的影響 22 圖 7顯 示了切削深度對(duì)纖維 – 基體脫粘深度的影響?？磥?lái)，刀具的振動(dòng)或切割或法線方向可以降低纖維與基體界面脫粘深度。在第 節(jié)中討論的關(guān)于纖維的力學(xué)變形特性，根據(jù)切削深度，對(duì)沿纖維降低刀具和纖維的接觸位置進(jìn)入表面深度的撓度。纖維進(jìn)入表面下的深度，取決于切削深度。特別是，隨著切削深度到 )27(/ m??? ? ，其中 ??/ 是纖維在 EHM 基礎(chǔ)的特征長(zhǎng)度，撓度的衰減率降低。因此，切削深度的 增加帶來(lái)了增大的脫粘深度。相反，刀具的垂直方向振動(dòng)使刀具和纖維的接觸位置在切割過(guò)程中瞬間變化，進(jìn)而改變脫粘深度。圖 8顯示了由傳統(tǒng)的 EVA 切削 100 m? 深度以下完成的表面。圖 6 所示，切削30 m? 的深度下的結(jié)果比較，可以看出，當(dāng)切削深度達(dá)到一個(gè)臨界值，進(jìn)一步增加不會(huì)影響脫粘深度。 圖 復(fù)合材料加工后表面。 a：傳統(tǒng)切削（ ap=100μm， v=1m/min）， b:EVA切削（ ap=100μm， v=1m/min， f=， a=， b=)。 單位寬度切削力 最大拉應(yīng)力 切削時(shí)間 23 單位寬度切削力 最大拉應(yīng)力 切削時(shí)間 單位寬度切削力 最大拉應(yīng)力 切削時(shí)間 24 圖 9顯示了在相同的條件下，切削力的模型（ simF ）預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)（ expF ）的力值變化，切削力每單位寬度的切割。由于測(cè)功機(jī) Kistler 9256a1 限制（采樣頻率 100 kHz；固有頻率 ），在高頻率周期的切削力的準(zhǔn)確的瞬時(shí)變化（大于 ）是不可測(cè)量的；因此用平均力比較。結(jié)果表明，傳 統(tǒng)的切割需要最大切削力最大，其次是 NDVA 和 CDVA 切削， EVA 切削最小。在傳統(tǒng)的切削，切削力的方向與最大拉應(yīng)力隨刀具直到纖維是在 t= 248 s? （圖 9（ a））。在這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)特別感興趣的是：一個(gè)對(duì)應(yīng)于纖維與基體的脫粘在 t = 248 s? 的第一次出現(xiàn)，其中的變化模式的力方向改變從指數(shù)的線性；另一個(gè)對(duì)應(yīng)于在 t = 248 s? 的定義式（ 16）的接觸寬度 L 縮短初期，所帶來(lái)的切削力 Z方向向下。然而，振動(dòng)的應(yīng)用使得這種模式削弱。作為刀具和工件的振動(dòng)方向之間的間歇接觸的結(jié)果，相應(yīng)的切削力和拉伸應(yīng)力相應(yīng)地波動(dòng)。然而，由于振動(dòng)的頻率比切削系統(tǒng)的固有頻率高得多，刀具的動(dòng)態(tài)剛度大大提高，比傳統(tǒng)的切削 [3437]，因此在每個(gè)切削時(shí)間拉應(yīng)力迅速增加。這個(gè)效果在 EVA 切削中是顯著的，在一個(gè)更小的切削力下纖維斷裂更早，如圖 9（ d）所示。 單位寬度切削力 最大拉應(yīng)力 切削時(shí)間 圖 。 a：傳統(tǒng)切削（ ap=30μm， v=1m/min）， b： CDVA 切削（ ap=30μm，v=1m/min， f=， a=， b=0μm）， c:NDVA 切削（ ap=30μm， v=1m/min， f=，a=0μm， b=)， d:EVA 切削（ ap=30μm， v=1m/min， f=， a=， b=)。 25 單位寬度切削力 切削深度 傳統(tǒng) 單位寬度切削力 切削深度 傳統(tǒng) 圖 。 a： x 方向， b： z 方向（傳統(tǒng)切削 ap=30μm， v=1m/min， CDVA切削 ap=30μm， v=1m/min， f=， a=， b=0μm， NDVA 切削 ap=30μm， v=1m/min，f=， a=0μm， b=， EVA 切削 ap=30μm， v=1m/min， f=， a=， b=)。 26 圖 10 比較了，當(dāng)切削深度 pa 的變化從 5 m? 到 100 m? 的預(yù)測(cè)結(jié)果（線）與實(shí)驗(yàn)測(cè)量（散射點(diǎn)）結(jié)果?？梢钥闯?，切削力在切削和法線方向隨著切削深度增加。當(dāng)振動(dòng)施加在刀尖，切削力變小， EVA 切削具有最好的性能?？梢钥闯?，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合，表明力學(xué)模型建立了有 無(wú)超聲振動(dòng)切削纖維捕獲的主要變形機(jī)制。 本文成功建立了單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的切割和無(wú)刀尖的振動(dòng)力學(xué)。研究還揭示了主要的材料去除機(jī)理，針對(duì)纖維變形的影響，纖維斷裂和纖維與基體界面脫粘。該模型的性能已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了。從仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得出了以下主要結(jié)論： 刀具振動(dòng)的應(yīng)用能明顯降低切削力，減少纖維變形，使纖維斷裂的位置非常接近的工具和纖維的接觸區(qū)，減少穿透深度的纖維與基體的脫粘，從而提供更好的完整性的表面。 （ 2）一個(gè)刀尖橢圓振動(dòng)軌跡（ EVA 切削模式）提供了最佳的性能。這是因?yàn)榇怪闭駝?dòng)總是施加一個(gè)對(duì)纖 維的表面額外的拉伸應(yīng)力，在高頻率和在切削方向的振動(dòng)分量的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，進(jìn)一步加速了在切削過(guò)程中纖維斷裂而使纖維變形。 （ 3）在一般情況下，增加切削深度會(huì)增加在 FRP 復(fù)合材料表面下纖維與基體界面脫粘深度。然而，存在一個(gè)臨界切削深度超出該深度脫粘深度不變化。 致謝： 作者感謝澳大利亞研究理事會(huì)對(duì)這項(xiàng)工作的資金支持。這項(xiàng)工作是由 NCI國(guó)家基金下設(shè)的優(yōu)異分配計(jì)劃獎(jiǎng)勵(lì)支持。 參考文獻(xiàn) [1] . 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