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碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)因其具有优秀的力学性能和高效的制备工艺,目前已经成为航空、航天产业等高科技领域内承力结构件的主要制备材料之一,并被广泛认为是替代传统金属及合金材料的新一代高性能材料。在制备CFRP结构件时,为了减少成型后CFRP内部结构缺陷、保障结构件最终的力学性能和抗疲劳性能,CFRP的成型工艺通常都是一次几净成型的。与此同时,CFRP结构件在实际工程应用中经常需要与金属或其他非金属材料件进行固定或组装,CFRP结构件的二次加工后处理过程在所难免。然而,由于CFRP具有多相性和各向异性的特点,其在加工性能上与各向同性的金属或合金材料完全不同,传统金属材料的加工工艺和经验公式对CFRP来说已不完全适用。特别是,对于CFRP来说,其在加工后在表面和亚表面通常会出现多种类型的损伤失效模式,这些由切削力诱导产生的微观结构缺陷会严重损害CFRP结构件的力学性能和抗疲劳性能。与对CFRP加工性能进行研究相比,对CFRP在加工后产生的缺陷进行科学地表征研究,进而掌握有效控制CFRP加工后亚表面损伤程度的方法也是同样重要的。因此,为了提高CFRP的加工效率、提升CFRP结构件加工后加工面的表面质量与成型尺寸精度,以及控制切削力导致的微观缺陷,本文从研究CFRP的切削加工性能,和加工参数影响下的亚表面损伤程度的表征与分析入手,先后开展了基于正交切削过程的CFRP切削实验研究和有限元仿真研究。在CFRP正交切削实验中,两种常用于工程应用中并具有代表性纤维结构类型的CFRP材料,单向连续碳纤维复合材料层合板和二维平面正交编织碳纤维复合材料层合板被分别用来制备实验用切削加工件。为了表征CFRP的切削加工性能,正交切削过程中的切削力和加工后的表面形貌质量都是本文的重点考察指标。正交切削实验是以单因素实验形式开展的,其中具有多个水平的纤维方向角度、切削速度和切削深度是实验中主要研究因素。一个基于压电式三向测力仪的切削力测量系统被用来获取CFRP在加工过程中的实时的主切削力和切深抗力值,同时金相显微观测法和轮廓仪表征法被分别用来观测和表征两种CFRP加工件加工后产生的损伤破坏形式和表面粗糙度。切削实验发现,CFRP的纤维方向角度对切削力和加工表面质量都有显著影响,并且切削速度的提高和切削深度的降低可以有效提高CFRP的切削表现:对于UD-CFRP来说,切削速度的提高可以使主切削力最大减少142.29N、切深抗力最大减少97.12N、加工后表面粗糙度最大下降5.9068μm,切削深度的提高会使主切削力最大上升143.67N、切深抗力最大上升80.54N、加工后表面粗糙度最大提高10.3689μm;对于Woven CFRP来说,切削速度的提高可以使主切削力最大减少66.06N、切深抗力最大减少37.16N、加工后表面粗糙度最大下降3.9580μm,切削深度的提高会使主切削力最大上升55.06N、切深抗力最大上升33.29N、加工后表面粗糙度最大提高4.4107μm。此外,为了分析切削实验中CFRP加工诱导亚表面损伤的影响因素,一种基于超声无损检测技术的扫描声学显微镜被用来扫描并检测CFRP在加工后的亚表面损伤程度。并且,为了可以对CFRP加工件中由切削力诱导产生的亚表面损伤进行定量分析,一维深度损伤因子Fdep和二维面积损伤因子Fa被建立并借助数字图像分析技术来量化表征超声扫描图像中每个CFRP加工件的亚表面损伤程度。在CFRP正交切削有限元仿真研究中,一个利用用户子程序VUMAT嵌入复合材料失效准则的三维等效均质CFRP正交切削过程有限元模型被成功建立。为了提高仿真精度以及验证该模型的可适用性,将基于四种不同复合材料失效准则有限元模型的仿真结果分别与实验测试值进行对比分析,比照参量包括切削力和亚表面损伤因子。其中,损伤因子中各参量的大小通过Python脚本语言捕捉到的单元信息进行获取。通过与实验结果进行验证后得到,基于Hashin&Puck准则的UD-CFRP模型在计算四种被考察的目标参量时,平均误差仅为16.44%;而对于Woven CFRP模型来说,Hashin失效准则和Hashin&Puck准则都有不错的表现,基于Hashin&Puck准则的Woven CFRP模型计算得到的模拟结果与实验结果的平均误差为8.03%。验证后的有限元模型被用来预测在多组正交切削加工参数下两种不同结构的CFRP的切削力和损伤因子的值,进而提供一个可信的加工参数优化范围,以减少CFRP加工件在加工后的亚表面损伤程度,提高CFRP的切削加工效率。正交切削加工UD-CFRP的最优加工参数组合为,切削速度309.5m/min和切削深度0.1mm;加工Woven CFRP所用加工参数给出优化区间为,切削速度在200m/min以上,同时切削深度小于0.35mm。本文中建立的切削实验研究方案和有限元数值模型可以有效表征CFRP材料的切削加工性能和亚表面损伤行为,同时,利用可量化表征亚表面损伤程度的损伤因子对CFRP加工参数进行优化选择也是切实有效的,具有较好的工程应用前景。