机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (7): 98-108.doi: 10.3901/JME.2025.07.098
胡晓杭1,2, 王福吉1,2, 贾振元1,2, 鞠鹏程1,2, 魏钢1,2, 付饶1,2
HU Xiaohang1,2, WANG Fuji1,2, JIA Zhenyuan1,2, JU Pengcheng1,2, WEI Gang1,2, FU Rao1,2
摘要: 碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon fiber reinforced thermoplastic composites, CFRTP)不仅轻质高强且高韧耐冲击,受到了高端装备制造行业的广泛关注。相比传统的碳纤维增强热固性复合材料(Carbon fiber-reinforced polymer, CFRP),CFRTP的基体塑性更强,加工时纤维所受约束相对较弱,易发生较大变形,导致加工损伤易发多发。此外,热塑性基体的高塑性使得CFRTP加工过程中的材料去除行为和损伤形式与CFRP存在明显差异。可见塑性是CFRTP的一个重要特征且不可忽略。为了准确描述热塑性基体的塑性对纤维约束及CFRTP切削过程的影响,本文建立了虑及基体弹塑性特性的CFRTP切削力学模型,采用“弹簧-圣维南体”串联模型来表征脆性纤维与高韧热塑性基体之间的约束关系,并基于地基梁理论和最小势能原理,量化分析了基体的弹塑性特性对纤维所受约束的影响。最后以典型的CFRTP-碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)为对象,理论与实验分析了切削深度对宏观切削力和面下损伤的影响。结果表明,该模型能够较好地预测CF/PEEK的宏观切削力和面下损伤。在分析范围内,模型对主切削力和推力的平均预测误差分别为11.50%和7.32%;对面下损伤的平均预测误差为2.88%。与未考虑基体弹塑性特性的算法相比,考虑基体弹塑性特性的模型所预测的宏观切削力更接近实验结果。
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