碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）材料因其高強(qiáng)重比、輕質(zhì)特性以及能夠形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)而廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車工業(yè)。這些特點(diǎn)使得CFRP成為需要燃油效率和高結(jié)構(gòu)完整性的飛機(jī)、航天器及高性能車輛應(yīng)用的理想材料。
CFRP零件的制造過(guò)程包括預(yù)浸料的鋪設(shè)、成型和固化。這些工序不可避免地會(huì)導(dǎo)致邊緣不規(guī)則。因此，需要進(jìn)行額外的機(jī)械加工操作（如修邊、開槽和鉆孔）以達(dá)到尺寸精度和裝配要求。然而，最外層層片因加工而產(chǎn)生的分層會(huì)顯著影響零件性能，因?yàn)榉謱右鸬臄嗔芽赡軙?huì)在疲勞載荷下擴(kuò)散到整個(gè)結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致部件失效。研究表明，在航空航天行業(yè)中，大約60%的CFRP零件缺陷是由分層造成的[1]，這突顯了研究CFRP加工過(guò)程中分層機(jī)制的必要性。
已有研究探討了導(dǎo)致分層的各種加工參數(shù)和刀具幾何形狀。Koenig等人[2]通過(guò)比較銑削和水射流切割對(duì)CFRP表面的損傷情況，得出分層主要是由剝離方向上的彎曲力分量引起的[3]。Colligan和Ramulu[4],[5]研究了切割參數(shù)（包括刀具幾何形狀、進(jìn)給速率、旋轉(zhuǎn)方向和纖維方向）對(duì)CFRP銑削過(guò)程中分層的影響。他們引入了分層面積長(zhǎng)度與總切割長(zhǎng)度的比值來(lái)評(píng)估分層風(fēng)險(xiǎn)，并建議降低進(jìn)給速率以減少分層。相比之下，Davim和Reis[6],[7]基于敏感性分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，銑削過(guò)程中的分層與切割速度有關(guān)，而與進(jìn)給速率關(guān)系不大。Hohensee[8]認(rèn)為刀具鋒利度是分層的關(guān)鍵因素，因?yàn)橹挥性谑褂媚p或鈍化的銑刀時(shí)才會(huì)觀察到分層現(xiàn)象。Hintze等人[9]分析了開槽銑削和鉆孔過(guò)程中的分層情況，發(fā)現(xiàn)分層僅發(fā)生在纖維切割角度為0°至90°的CFRP中。Hintze和Hartmann[10]提出了一個(gè)分析模型，用于預(yù)測(cè)與加工表面損傷深度相關(guān)的分層現(xiàn)象。他們將分層歸因于先前切割造成的表面損傷，這些損傷為纖維在剝離方向上的變形提供了足夠的空間[11]。Hintze等人[12]研究了編織CFRP的銑削過(guò)程，發(fā)現(xiàn)分層主要受纖維波動(dòng)和局部樹脂厚度的影響，而非刀具幾何形狀。Girot等人[13]提出了一個(gè)分析模型來(lái)研究CFRP鉆孔過(guò)程中的分層，將分層現(xiàn)象歸因于推力引起的彎曲-剪切復(fù)合效應(yīng)，并指出分層是一種受進(jìn)給速率和切割邊緣載荷分布強(qiáng)烈影響的混合模式（I/II）層間失效。Ojo等人[14]基于一階剪切變形理論開發(fā)了一個(gè)分析模型，用于預(yù)測(cè)鉆孔過(guò)程中的臨界推力，該模型考慮了先前模型中忽略的剪切變形效應(yīng)。這些分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，鉆孔和銑削過(guò)程中的分層主要是由推力和彎曲作用引起的。然而，這一結(jié)論與我們?cè)贑FRP正交切割試驗(yàn)中的觀察結(jié)果不同，因?yàn)樵谡磺懈钸^(guò)程中不存在剝離力分量。
現(xiàn)有的理論[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8],[9],[10],[11],[12],[13],[14]無(wú)法解釋CFRP正交切割過(guò)程中的分層現(xiàn)象，表明當(dāng)前理解存在明顯不足。此外，現(xiàn)有的分析模型缺乏預(yù)測(cè)分層斷裂機(jī)制的能力，而這正是本研究的主要目標(biāo)。本文提出了一種基于最小能量原理的分析模型，該模型結(jié)合了基體斷裂機(jī)制[15]，用于預(yù)測(cè)斷裂面的方向和分層轉(zhuǎn)換。本研究的新穎之處在于兩個(gè)方面：首先，實(shí)驗(yàn)表明即使在具有鋒利切割邊緣且沒(méi)有剝離力的正交切割條件下也會(huì)發(fā)生分層；其次，通過(guò)整合層內(nèi)和層間分層機(jī)制，開發(fā)出了一個(gè)統(tǒng)一的分析模型，能夠定量預(yù)測(cè)整個(gè)纖維方向范圍內(nèi)分層、碎屑形成和壓碎表面形成之間的轉(zhuǎn)換。根據(jù)這一框架，確定了分層發(fā)生的兩個(gè)條件：（1）傾斜的斷裂面不能平行于切向-推力平面；（2）所需的切削功率必須低于引發(fā)碎屑形成所需的功率。
本文首先介紹了CFRP正交切割過(guò)程中最外層層片的實(shí)驗(yàn)確定的變形模式。隨后概述了斷裂面的機(jī)理分析及分析模型的理論基礎(chǔ)，并通過(guò)比較加工表面上三種變形模式和斷裂角度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果來(lái)驗(yàn)證了該分析模型。
