单向增强纤维振动辅助切削中的力学和材料去除机制设计英文翻译附原文

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1、苏州科技学院毕业论文外文翻译外文题目 单向增强纤维振动辅助切削中的 力学和材料去除机制 院 (系) 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 张明光 学 号 11200136203 指导教师 殷振 2015 年 3 月 14 日单向增强纤维振动辅助切削中的力学和材料去除机制关键词：纤维增强聚合物基复合材料；振动辅助切削；切削力学；材料去除机理；纤维 - 基体剥离。摘 要本文旨在揭示背后的单向网络BRE振动辅助切削（VAC）的材料去除机制和力学增强复合材料（FRP）复合材料。通过整合VAC的核心因素，包括网络BRE方向和变形，纤维 - 基体界面，工具，网络BRE接触和工具 - 工件

2、接触的综合分析，研制成功预测的切削力可靠的力学模型流程。进行有关的实验表明，该模型已捕获在切割玻璃钢复合材料的力学和主要变形机制，并且在任一所述的切割或法线方向超声波振动的应用程序可以显著降低切削力，最小化网络连接BRE形变，促进有利科幻BRE骨折在切割界面，并在很大程度上提高加工表面的质量。当振动被施加到两个所述切割和法线方向，刀尖的椭圆振动轨迹可以带来一个最佳的切割过程。存在切口的临界深度，超过该音响BRE矩阵剥离深度由施加在刀尖的振动不再影响。这大大阻碍了EVA切削技术的优化与应用。本文旨在为解决上述问题进行了详细的力学分析，了解单向ERP材料EVA切削所用到的原理并建立必要的基础。56

3、1.简介纤维增强型复合材料（FRP）因其强度、刚度高，质量轻的特点而被广泛应用于先进结构中。然而，由于纤维和基体机械性能的显著差异，FRP材料产品很难被加工。因而，加工后的FRP产品经常有着各种缺陷，如纤维露出、纤维断裂、基体开裂、纤维与基体脱粘和分层等。目前为止，大多数对FRP材料加工的实验主要针对有以下几个方面：纤维或基质类型的影响、纤维体积分数及方向的影响、刀具材料及形状的影响、切削深度的影响和所选用加工参数的影响。然而，这些研究局限于传统的加工方法，如车、铣、钻，仍面临着上文突出的表面缺陷。为了获得高质量表面的FRP产品，普遍认为磨削较为合适，因为在磨削时，单刃磨的切削深度比纤维直径要

4、小得多。然而，很多情况下磨削效率很低。另一方面，振动辅助切削，使切削工具的尖端运动增加了在超声波频率位移的微幅，已被实验证明可以切削许多单相材料如金属和陶瓷的一种有效方法。为了有效加工FRP材料，作者研究出一种振动辅助切削技术。这种技术以基于振动方向上的超声振动加在于刀尖上，刀尖轨迹可以被控制，例如，椭圆路径称为椭圆振动辅助（EVA）切削。他们的调查显示，EVA切削可显著降低切削力与表面缺陷，即使是用普通的切削刀具。在加工特性中，振动在切削方向与法向的影响也已使用已有的新型激光器所研究了。研究发现，切削方向的振动更有利于降低切削力，而法向更有利于排屑。当EVA切削中振动运用于两方向时，切削力大

5、大降低，FRP材料的表面质量可以打打提高，刀具寿命也可显著延长。但是，EVA切削材料去除过程中力学与机理仍不清楚。这大大阻碍了EVA切割技术的优化与实际应用。本文旨在通过详细的力学分析消除上述的问题，了解单向FRP材料EVA切削所蕴含的科学原理，从而建立必要的基础。最重要的因素，如切削力、纤维变形、纤维断裂、纤维基体断裂，将全面集成建模，并进行相关实验来检验建立的模型。2.建立力学模型2.1力学原理图1说明了EVA切削的过程的力学原理，即刀具以进给速度，v，进给，同时在XZ平面上以超声频率微幅振动。X方向进给率小于最大振动速度，这样连续切削是在刀具每个振动周期中产生的。在每个周期中，发生在刀尖

6、挤入工件的时刻tb，切削开始，切削方向平行于纤维方向时刻te，切削结束。因此，如果图1.纤维复合材料振动辅助切削示意图刀尖中心轨迹EHM（基体与纤维）纤维纤维刀具纤维/基体断裂发生在这个过程中，切屑将由刀具形成和拉出。在之前的工作中发现，为了促进纤维与基体的分离，一个刀具振动周期内的切割距离，设置为小于纤维直径，D，从而提高表面质量。假设a和b分别是在x和z方向的振动幅值，f是振动频率，是相位差，re为切削刃半径,ap是切削深度，是刀具切削结束时工件反弹值。在x方向上刀具的相对椭圆运动x（t）,z方向z（t）,可以通过表1所示的方程来表示。基于刀具振动相对于进给方向的运动，可以定义三种类型振动

7、辅助切削：（1）切削方向振动辅助（CDVA）切削：刀具只在切削方向振动（即a0,b=0）；（2）法向振动辅助（NDVA）切削：刀具只在法向振动（即a=0,b0）；还有EVA切削（即a=0,b=0），即如上述。对于这些类型的切削与传统切削振动辅助刀具的轨迹如表1所示。 传统切削切削种类刀具轨迹刀具位移CDVA切削NDVA切削EVA切削表1.切削种类为了建立对切削过程的力学模型，考虑一个单一的纤维是具有以下特征的代表性单元：（1）工件的宽度与刀具相同并等于纤维的直径；（2）纤维断裂前经过弹性变形；（3）纤维断裂时发生的最大拉伸应力超过其抗拉强度；（4）刀具与纤维，刀具与工件接触遵循赫兹接触理论为方

8、便起见，力和变形的正方向是沿如图1中定义正x和z方向的。2.2纤维变形设在复合材料中纤维中直纤维由其余的有弹性复合纤维材料支撑，如图1所示，纤维在对称截面的主平面受到水平力作用。纤维因此偏转，但在纤维体复合材料适用于一个分布式的反应抗纤维偏转。反应力可以用Winkler模型描述，如图2所示.模型简单但不失一般性，支持的纤维可以被视为一个等效均质材料的复合部分（EHM）其弹性性能（例如，模量）可以通过一个复合的混合规则的制定。设pm是在与偏转x纤维横截面的反作用力的强度；pm= xkm，其中km为基础的导电加热切削的模量，可采用Biot公式: （1） 其中Em和vm是横向的杨氏模量和HME的泊松

9、比；Ef和If=（D4 / 64）是横向的杨氏模量和纤维横截面的惯性矩。纤维刀具图2.切割中的纤维变形微小元素在切割过程中，纤维基体界面部分遭受脱粘深度H，如图2所示。然后，该纤维基体界面的其余部分将有一个结合力约束由切削力引起的变形的纤维。假设pb是在非脱粘区域的粘合力的强度，pb=xkb，其中kb是纤维基质粘结的等效模量。在脱粘的起始点，E，Pb应等于纤维基体的接合强度b。设纤维长度dz为无穷小（见图2）。元素平衡产生： （2） 其中Q为接切力，M为弯矩。等效代如著名的梁弯曲理论，代入得： （3） Eq由公式（3）解得： （4a） 或 （4b） 其中C1,C2,C3,C4,B1,B2,B3

10、,B4是积分常数，。从上述分析可知，纤维在复合材料中，与刀具所接触时，沿轴线有不同的支撑条件。因此，纤维的变形可以分为三个部分，如图2所示：（1）纤维与刀具接触点，A，以上部分的纤维，即：；（2）A，E两点之间部分的纤维，即：；（3）E点以下的部分纤维，即：。相应地，这些部分的纤维的变形可以有以下所得： （5）其中，是积分常数，且，因此，图2中标注的切削力为以上所述（1）、（2）、（3）部分纤维反作用力之和，即： （6） 在计算公式（6）和（13）中的参数，和h，需要由纤维的边界条件和转换条件在纤维截面零件不同支承约束条件确定，当表达式中的每一项在式（6）可以得到，即可得出下面的：对变形斜率的

11、一般表达式，（i1，2，3），弯矩，Mi（i1，2，3），和剪切力，Qi（i1，2，3），可以直接导出。 （7a） （7b） （7c） （7d） （7f） （7g） （7h） （7i） 纤维的变形是连续的，因此其边界条件和转换条件在纤维截面的各个部分不同支承约束如下： 在纤维顶部（z=0）： 在刀具与纤维接触点A（）： （9） 在纤维基质脱粘点 E（）： （10） 在纤维底部（）：（） （11） 因此，上述13个参数可以通过求解方程得到。（8）（11）和切削力FAx在式（6）确定。切削力FAz代表纤维和切割工具头之间的摩擦，从而取决于切削工具和纤维之间的相对运动。由于振动产生工具与纤维沿纤维轴

12、线的相对运动（即，在Z方向），摩擦可以由库仑摩擦定律决定： （12）其中为刀具与纤维间摩擦系数。相对地，在传统的无振动辅助切削或CDVA切削过程中没有这样的相对运动，在这些情况下，纤维变形造成的刀具与纤维的相对运动是非常小的，可以忽略。2.3纤维断裂为确定纤维的断裂，应理解刀具纤维接触区域的拉伸应力分布。当刀身与纤维接触，可以看作在法向负载FAx和摩擦负载FAz之下，两圆柱体之间的接触，如图3所示。正常的压力相应的分布，p（y，z），和切向牵引，q（y，z），在接触区可通过此描述: （13） 其中，c和d是接触椭圆的半轴且由以下方程确定： （14） 接触区域其中是纤维的泊松比，K（e）和E（e

13、）是第一类和第二类的完全椭圆积分。刀具接触区域图3.在切削FRP材料时刀具与纤维的接触纤维由刀具在直角坐标斜分量产生的应力场是可以计算的，因此纤维中的应力分场是： （15）其中，=。基于最大拉伸应力断裂准则，纤维的断裂发生在纤维达到纤维抗拉强度。2.4.工件材料在切削刃下的变形刀尖和刀具前刀面使工件在切削刃下变形，变形可以被看作一个半圆柱体压头下（1区）和半楔压头（2区），如图4所示。设应用叠加原理。通过在接触圆柱的半空间运用压痕力学，对刀具切削刃的压痕力可以通过添加的压痕力半弧长2CB近似，即，区域2区域1纤维刀具图4.刀具与工件的切削面的接触 （16）其中是垂直于工件表面的压痕力，是Z向工

14、件材料的有效弹性模量，l是接触弧CB的宽度，由下面的决定： l= 反弹值可以通过加工弹性参数，K，得到，它是由实际切削深度与理论切削深度的比值决定的，即。然而，必须指出的是，刀尖在NDVA和EVA切削中有一个Z方向的滑动运动，使得反弹需要时间： （17）当摩擦系数为，摩擦力可求得： （18）其中 0 同样，用楔块和一个半空间之间的接触力学，在区域2的总力P2可以计算为： （20）其中是刀具间隙角，是在区域2的工件材料的有效模量。注意必须比工件材料初始值小，因为在这个区域的材料已在1区经历了变形过程中的损坏。增加后刀面与工件材料之间的摩擦力时，切削力在区域2是： （21）因此，总切削力Fx和Fz

15、变为 ： （22）2.5.振动对切削系统的动态刚度的影响由于刀尖的振动频率远远超过切削系统的固有频率，刀具工件的相互作用是不连续的，但有很多微小的影响。因此，传统的切割系统相同的切削条件下，组装在机器上刀具的动态刚度可以大大增加T / TC倍。其中T是刀具的振动周期，TC（）是切削时间。假设kx是在传统的切割中一个x方向沿纤维轴点在动刚度等效系数，其对应的动态模量km=依据km在切割过程中可以写为： a=0（传统切削） a0（振动辅助切削） （23）同样地，在z方向上的振动切削系统的动态刚度的影响可以通过修改加工弹性参数表示。k= K b=0（传统切削） b0（振动辅助切削） （24）表2.仿

16、真和实验条件3.切削条件纤维EHM横向的杨氏模量EfGPa15横向的杨氏模量EmGPa5.6抗拉强度tGPa3.5有效弹性模量E1*10泊松比vf0.2有效弹性模量E2*3.5剪切强度s0.38泊松比vm0.318接口切削系统粘结强度bMPa30加工的力学参数K0.96等效模量kbGPa/m115传统切削的动态切削刚度系数kxGPa1.77刀具和工件切削条件刀具材料碳化钨切削深度apm4-100刃口半径rem5刀具进给速率vm/min1刀具后角7振动频率fkHz17.43工件材料单向CFRP振幅am2.07纤维取向90振幅bm1.67纤维直径m7摩擦系数A0.2纤维体积分数Vf60摩擦系数m0

17、.25表3.材料特性为了验证力学模型，表2中列出的相同条件下进行了仿真和实验。在本实验中使用的装置，包括切削深度，进给速度，振幅，振动频率和振动是与作者以前的工作相同的。以微粒级的TiAlN / TiN涂层碳化钨硬质合金刀片作为切割工具，工件以单向碳纤维增强聚合物（CFRP）材料制备，它由单向复合材料（碳纤维环氧树脂浸渍的纤维方向）组成。摩擦系数和取0.22和0.252,23，基于实验测量，表3列出了从加工模拟文献中获得的材料特性。4.结果与讨论4.1.变形和纤维断裂X向纤维偏转Z向深度脱粘深度纤维断裂脱粘点切削时间X向纤维偏转脱粘深度Z向深度纤维断裂脱粘点切削时间X向纤维偏转Z向深度脱粘深度

18、脱粘点纤维断裂切削时间X向纤维偏转Z向深度脱粘点脱粘深度纤维断裂切削时间图5.纤维变形和纤维与基体脱粘深度。a：传统切削（ap=30m，v=1m/min），b：CDVA切削（ap=30m，v=1m/min，f=17.43kHz，a=2.07m，b=0m），c:NDVA切削（ap=30m，v=1m/min，f=17.43kHz，a=0m，b=1.67m)，d:EVA切削（ap=30m，v=1m/min，f=17.43kHz，a=2.07m，b=1.67m)。图5显示了在切割过程中取v=1m/min，=30时的纤维变形（蓝色线）和纤维基体界面脱粘深度的变化（红色线）。当施加超声振动，频率，CDVA

19、切削中，a=2.07，b=0；NDVA切削中，a=0，b=1.67；EVA切削中，a=2.07，b=1.67。图5（a）描述了一个在传统切削过程中纤维的变形。很明显，由于刀具的连续压。纤维向刀具前弯曲。增加的偏转与工具的前直到在t = 248，纤维断裂。通常，纤维与基质脱粘深度是用来描述损伤程度。在这种情况下，纤维随着变形的增加的，脱胶出现在t= 23s的第一时间，随着刀尖到纤维的脱粘渗透深度的增加，最终最大深度h=14.07。显然，传统的方法会导致较大的工件变形，导致很深的伤害，切割材料效率低。当振动作用于进给方向的切削，即，示于图5（b）的CDVA切削，所得到的速度由进给速度和振动速度的确

20、定。在开始时，进给率和振动速度在同一方向，与传统的t=23相比，导致纤维与基体脱粘在t=3时。随着脱粘深度不断增加这两成分急剧增加到最大的合成速度和0然后下降（t = 10 s）。之后，切割尖端开始向后移动，由于振动的相移，脱粘停止向下传播，在第一切削循环达到其最大深度（h=5.13）。这个过程一直持续到第二切削循环开始，t=59时，由此带来的脱粘进一步传播。最后，纤维在第三切削循环断裂，t=121，脱粘深度h=10.62。显然，在切削方向的振动的应用不仅改善了表面质量（三分之一的脱粘深度降低），而且提高了加工效率。当振动施加垂直于进给方向，即，该NDVA切割图5所示（C），这是明显的垂直振动

21、的应用带来的速度连续变化，从而改变刀具的最初直线轨迹。因此，刀具的相关运动，沿纤维轴产生额外的摩擦使纤维断裂前，减少脱层的穿透深度。另外，切削速度下只占半个振动周期，这使得保持粘合深度进一步缩短。可以看出，垂直振动的应用还可以提高表面质量和提高切削效率。当应用椭圆振动，如图5（d），EVA切削融合了CDVA和NDVA的优点。显然，EVA切削仅仅就是在CDVA和NDVA运动合成。然而，这种合成带来了极为优越的特性。一方面，水平振动的应用有助于早出现脱粘（同CDVA切割）和增加法向力对纤维启动纤维早期断裂。另一方面，垂直振动改变刀具轨迹带来更高的沿纤维摩擦加速断裂（纤维断裂在t=7时）。同时，这大

22、大缩短了时间跨度，阻碍脱粘扩展，使脱粘深度h=1.9，比其他所有的切削过程以上讨论的要小。脱粘区图6.CFRP复合材料加工后表面。a：传统切削（ap=30m，v=1m/min），b:EVA切削（ap=30m，v=1m/min，f=17.43kHz，a=2.07m，b=1.67m)。图6显示了碳纤维复合材料表面的传统和振动辅助切削加工方法，在脱粘区已用红色线强调了。可以看出，传统的切割时产生大量的脱粘区，导致在表面下很深的伤害，如图6（a）所示。振动辅助切削在很大程度上提高加工表面完整性。如图。6（b），CDVA切削（在切割方向振动）加速了在非常接近刀具纤维相互作用区的附近纤维断裂，并且因此纤维

23、基质剥离区域小得多。然而，由于沿切割方向的切割工具的频繁往复运动，纤维和基体的表面也脱胶。图6（c）显示了NDVA切割表面质量（振动垂直于切割方向），这表明应用振动降低纤维基体界面脱粘有效。然而，在NDVA切削中，由于刀具在垂直方向上的纤维往复滑动，刀具纤维接触位置瞬间变化。因此，纤维上的断裂点是不可预测的，导致一个不规则的破裂面。最佳的表面质量是由EVA切削产生，不仅使表面更加光滑，而且纤维基体界面脱粘区最小化，如图6（d）所示。这些实验结果与从上述模型预测的吻合良好。传统切削脱粘深度CDVA切削EDVA切削EVA切削切削深度图7.切削深度对纤维-基体脱粘深度的影响图8.CFRP复合材料加工

24、后表面。a：传统切削（ap=100m，v=1m/min），b:EVA切削（ap=100m，v=1m/min，f=17.43kHz，a=2.07m，b=1.67m)。图7显示了切削深度对纤维基体脱粘深度的影响。看来，刀具的振动或切割或法线方向可以降低纤维与基体界面脱粘深度。在第2.2节中讨论的关于纤维的力学变形特性，根据切削深度，对沿纤维降低刀具和纤维的接触位置进入表面深度的挠度。纤维进入表面下的深度，取决于切削深度。特别是，随着切削深度到，其中是纤维在EHM基础的特征长度，挠度的衰减率降低。因此，切削深度的增加带来了增大的脱粘深度。相反，刀具的垂直方向振动使刀具和纤维的接触位置在切割过程中瞬间

25、变化，进而改变脱粘深度。图8显示了由传统的EVA切削100深度以下完成的表面。图6所示，切削30的深度下的结果比较，可以看出，当切削深度达到一个临界值，进一步增加不会影响脱粘深度。4.2.切削力单位宽度切削力最大拉应力切削时间单位宽度切削力最大拉应力切削时间单位宽度切削力最大拉应力切削时间单位宽度切削力最大拉应力切削时间图9.切削力和最大拉应力的变化。a：传统切削（ap=30m，v=1m/min），b：CDVA切削（ap=30m，v=1m/min，f=17.43kHz，a=2.07m，b=0m），c:NDVA切削（ap=30m，v=1m/min，f=17.43kHz，a=0m，b=1.67m)

26、，d:EVA切削（ap=30m，v=1m/min，f=17.43kHz，a=2.07m，b=1.67m)。图9显示了在相同的条件下，切削力的模型（）预测和实验（）的力值变化，切削力每单位宽度的切割。由于测功机Kistler 9256a1限制（采样频率100 kHz；固有频率5.5kHz），在高频率周期的切削力的准确的瞬时变化（大于17.43kHz）是不可测量的；因此用平均力比较。结果表明，传统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。在传统的切削，切削力的方向与最大拉应力随刀具直到纤维是在t= 248（图9（a）。在这个过程中，两个转折点特别感兴趣的是：一个对应于

27、纤维与基体的脱粘在t = 248的第一次出现，其中的变化模式的力方向改变从指数的线性；另一个对应于在t = 248的定义式（16）的接触宽度L缩短初期，所带来的切削力Z方向向下。然而，振动的应用使得这种模式削弱。作为刀具和工件的振动方向之间的间歇接触的结果，相应的切削力和拉伸应力相应地波动。然而，由于振动的频率比切削系统的固有频率高得多，刀具的动态刚度大大提高，比传统的切削34-37，因此在每个切削时间拉应力迅速增加。这个效果在EVA切削中是显著的，在一个更小的切削力下纤维断裂更早，如图9（d）所示。单位宽度切削力传统切削深度传统图10.的切削深度对切削力的影响。a：x方向，b：z方向（传统切

28、削ap=30m，v=1m/min，CDVA切削ap=30m，v=1m/min，f=17.43kHz，a=2.07m，b=0m，NDVA切削ap=30m，v=1m/min，f=17.43kHz，a=0m，b=1.67m，EVA切削ap=30m，v=1m/min，f=17.43kHz，a=2.07m，b=1.67m)。单位宽度切削力切削深度图10比较了，当切削深度的变化从5到100的预测结果（线）与实验测量（散射点）结果。可以看出，切削力在切削和法线方向随着切削深度增加。当振动施加在刀尖，切削力变小，EVA切削具有最好的性能。可以看出，模型的预测结果与实验结果非常吻合，表明力学模型建立了有无超声振

29、动切削纤维捕获的主要变形机制。5.结论本文成功建立了单向纤维增强复合材料的切割和无刀尖的振动力学。研究还揭示了主要的材料去除机理，针对纤维变形的影响，纤维断裂和纤维与基体界面脱粘。该模型的性能已经通过实验验证了。从仿真和实验的结果得出了以下主要结论：刀具振动的应用能明显降低切削力，减少纤维变形，使纤维断裂的位置非常接近的工具和纤维的接触区，减少穿透深度的纤维与基体的脱粘，从而提供更好的完整性的表面。（2）一个刀尖椭圆振动轨迹（EVA切削模式）提供了最佳的性能。这是因为垂直振动总是施加一个对纤维的表面额外的拉伸应力，在高频率和在切削方向的振动分量的动态效应，进一步加速了在切削过程中纤维断裂而使纤

30、维变形。（3）在一般情况下，增加切削深度会增加在FRP复合材料表面下纤维与基体界面脱粘深度。然而，存在一个临界切削深度超出该深度脱粘深度不变化。致谢：作者感谢澳大利亚研究理事会对这项工作的资金支持。这项工作是由NCI国家基金下设的优异分配计划奖励支持。参考文献1 L.C. Zhang, H.J. Zhang, X.M. Wang, A force prediction model for cutting unidirectional fibre-reinforced plastics, Mach. Sci. Technol. 5 (2001) 293305.2 X.M. Wang, L.C.

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51、. Technol. 67 (2007) 579593.40 D. Iliescu, D. Gehin, I. Iordanoff, F. Girot, M.E. Gutierrez, A discrete element method for the simulation of CFRP cutting, Compos. Sci. Technol. 70 (2010) 73-80. On the mechanics and material removal mechanisms of vibration-assisted cutting of unidirectional fibre-rei

52、nforced polymer compositesabstractThis paper aims to reveal the material removal mechanisms and the mechanics behind the vibrationassisted cutting (VAC) of unidirectional fi bre reinforced polymer (FRP) composites. Through a comprehensive analysis by integrating the core factors of the VAC, includin

53、g fibre orientation and deformation, fibrematrix interface, tool-fibre contact and tool-workpiece contact, a reliable mechanics model was successfully developed for predicting the cutting forces of the process. Relevant experiments conducted showed that the model has captured the mechanics and the m

54、ajor deformation mechanisms in cutting FRP composites, and that the application of ultrasonic vibration in either the cutting or normal direction can significantly decrease cutting forces, minimise fibre deformation, facilitate favourable fibre fracture at the cutting interface, and largely improve

55、the quality of a machined surface. When the vibrations are applied to both the cutting and normal directions, the elliptic vibration trajectory of the tool tip can bring about an optimal cutting process. There exists a critical depth of cut, beyond which the fibre-matrix debonding depth is no longer

56、 infl uenced by the vibration applied on the tool tip.Keywords: Fibre-reinforced polymer composites;Vibration-assisted cutting;Cutting mechanics;Material removal m echanism;Fibre-matrix debonding1. Introduction Fibre-reinforced polymer (FRP) composites have been widely used in advanced structural applications due to their high strength and stiffness to weight ratio. However, the machining of FRP composite products is difficult be