郑华林 蒙玉培 张晟玮

(①西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500；②中国航发航空科技股份有限公司，四川 成都 610500)

由碳纤维增强聚合物(CFRP)和Al合金构成的叠层材料，以其优良的综合力学性能，广泛应用于航空领域，其构件常以螺栓连接进行装配，因此钻削加工必不可少。但由于两种材料性能的差异性，对加工带来一定难度，容易造成各种加工缺陷[1-2]。随着计算机技术的高速发展以及有限元理论的逐渐成熟，数值仿真成为了有力的研究方法。

国外采用宏观、细观和宏-细观模型的方法对CFRP的切削机理以及切削参数的影响进行了细致研究。其中，Xu等[3-5]建立了CFRP/Ti的正交切削模型，从纤维角、切削顺序及摩擦系数等对切削过程进行了研究。国内多是从事单一材料的切削研究[6-7]，相较于单一材料切削仿真研究，由于叠层材料的切削仿真存在复杂的接触行为和网格控制，进而CFRP/Al叠层材料数值仿真切削过程不容易收敛。

本文首先将CFRP/Al叠层材料钻削过程简化，得到叠层材料二维正交切削模型，建立宏观仿真模型，并与实验对比，验证了模型的准确性。同时研究了切削顺序、进给速度、刀具前角对切削过程中切削力和CFRP切削损伤的影响规律。

1 二维正交切削有限元模型

1.1 材料性能和失效准则

单向CFRP为各向异性材料，在二维情况下，属于平面应力问题，采用2D HASHIN失效模型[8-9]来描述单向CFRP材料的失效,如下式所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

单向CFRP的材料参数[10]如表1所示。

表1 单向CFRP材料参数

表2 单向CFRP损伤参数 MPa