基于有限元仿真的碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔研究

王明海 徐穎翔 姜慶杰

(沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，遼寧 沈陽110136)

碳纖維復(fù)合材料(carbon fibre reinforced plastics，CFRP)由于其輕質(zhì)、高強度、高模量等卓越的力學(xué)性能，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到航空、航天、汽車和輪船等行業(yè)中。但是，由于碳纖維復(fù)合材料硬度高、強度大、導(dǎo)熱性差、各向異性、層間強度低以及樹脂基體對溫度敏感等特點，屬于難加工材料，在鉆孔時易產(chǎn)生毛刺、分層、劈裂等缺陷，嚴重影響加工質(zhì)量和精度，從而導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料零件報廢［1-3］。

在用傳統(tǒng)鉆削工藝進行復(fù)合材料制孔的過程中，由于鉆頭橫刃處轉(zhuǎn)速為0，橫刃區(qū)的材料完全靠鉆頭的推擠作用而形成切屑，因此軸向力將非常大。當(dāng)軸向力超過層間結(jié)合力時，將發(fā)生分層現(xiàn)象。有文獻［4］指出，軸向力的50%以上集中在橫刃處，而且軸向力是產(chǎn)生分層的主要因素。M. S. Won 等人［5］采用預(yù)鉆先導(dǎo)孔的方法消除橫刃的影響，試驗結(jié)果表明，有先導(dǎo)孔時鉆削軸向力將大大減小，并且可以減小分層發(fā)生的幾率。

與傳統(tǒng)的鉆削工藝相比，螺旋銑孔采用了完全不同的加工方式。銑削的主運動是銑刀的旋轉(zhuǎn)運動，因此主切削力是作用于銑刀圓周切線方向的分力，其消耗功率最多。而軸向力是沿銑刀軸線方向的分力，其消耗功率較少;而在鉆削過程中，功率主要消耗在橫刃和兩個切削刃上，其中，橫刃所消耗的功率占主要部分，因此軸向力非常大，很容易導(dǎo)致復(fù)合材料的分層。由于螺旋銑孔減小了軸向力，從而可以提高孔的加工質(zhì)量;其次，螺旋銑孔是斷續(xù)切削，有利于刀具和工件的散熱，從而降低了切削溫度;第三，螺旋銑孔屬于偏心加工，通過改變徑向偏移量可以實現(xiàn)一把銑刀加工一系列直徑的孔，不僅提高了加工效率，同時也大大減少了存刀數(shù)量和種類，降低了加工成本［6］。

目前，越來越多的學(xué)者使用有限元仿真的方法對復(fù)合材料切削過程進行研究，但是，絕大部分都局限于二維模型以及切削機理的分析［7-9］，與實際加工的三維切削過程仍有一些差別。本文首先針對螺旋銑孔的加工特點及刀具運動軌跡進行分析，再基于ABAQUS有限元軟件分別建立碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔的三維模型，并且從軸向力和加工質(zhì)量兩方面進行了對比和研究。

1 螺旋銑孔的運動學(xué)分析

螺旋銑孔作為一種新的工藝技術(shù)，在銑孔過程中，銑刀側(cè)刃與底刃同時參與切削，是鉆削與銑削的綜合體現(xiàn)。螺旋銑孔過程包括3 個基本運動:自轉(zhuǎn)運動——以銑刀軸線為旋轉(zhuǎn)軸的主運動、公轉(zhuǎn)運動——刀具繞孔中心的旋轉(zhuǎn)運動，以及沿軸線向下的進給運動。在這3 個運動的共同作用下完成整個螺旋銑孔過程［10］。

在傳統(tǒng)鉆孔過程中，鉆頭中心的進給運動始終沿軸線方向。但是在螺旋銑孔的加工過程中，銑刀中心的運動軌跡是一條螺旋曲線，進給方向隨時發(fā)生變化，未變形的切屑厚度也隨之改變，導(dǎo)致切削力也隨時間發(fā)生周期性的變化。由于銑刀的公轉(zhuǎn)速度遠小于自轉(zhuǎn)速度，因此在一個微小的切削過程中，銑刀中心的進給軌跡可近似認為是穩(wěn)定的直線運動。假設(shè)n(r/min)表示主軸自轉(zhuǎn)速度，np(r/min)表示公轉(zhuǎn)速度，那么相應(yīng)的角速度分別為:

其中ω(rad/s)為銑刀自轉(zhuǎn)角速度，ω1(rad/s)為銑刀公轉(zhuǎn)角速度。此外，假設(shè)N為銑刀齒數(shù)，銑刀直徑(半徑)為Dc(Rc)(mm)，加工孔的直徑(半徑)為Dh(Rh)(mm)。a(mm/r)為每公轉(zhuǎn)一周的軸向切深(進給量)，因此軸向進給速度fa(mm/min)為:

軸向每齒進給量sa(mm/齒)為:

在螺旋銑孔過程中，銑刀中心的運動軌跡是一條螺旋曲線，如圖1 所示。

因此，每公轉(zhuǎn)一周，銑刀中心移動的距離為fa/(npsinα)，那么銑刀中心沿螺旋曲線的進給速度fc(mm/min)為:

因此，圖1 中的頂角α 為:

根據(jù)螺旋銑孔的加工特點，頂角α 很小，因此可以近似認為tanα ≈α ≈sinα，那么進給速度fc為:

銑刀中心的每齒進給量st可以表示為:

銑刀走向每齒進給量sp為:

從式(7)和(8)可以看出，一旦銑刀和孔的直徑確定，每齒進給量就只與自轉(zhuǎn)速度和公轉(zhuǎn)速度有關(guān)?？梢?，對于螺旋銑孔來說，每齒進給量是一個關(guān)鍵的參數(shù)，不僅決定了螺旋銑孔的加工效率，而且直接影響孔的加工質(zhì)量以及刀具壽命。下面提到的每齒進給量均指銑刀中心的每齒進給量［11］。

2 三維模型的建立

本文所加工孔的直徑為6 mm，螺旋銑孔過程中，刀具直徑與孔直徑的比例大約為55% ～90%，因此，選擇直徑為4 mm 的立銑刀。首先，通過三維建模軟件SolidWorks 建立一把直徑為4 mm 四齒銑刀模型，并導(dǎo)入到有限元軟件中。刀具材料選擇強度較高，抗沖擊，抗振動性能較好，耐磨性高的硬質(zhì)合金YG8，密度為14.4 ～14.6 kg/m3，彈性模量為6.40 ×105MPa，泊松比為0.22。

碳纖維復(fù)合材料模型直接在有限元軟件中建立，碳纖維的鋪層角度為［0°/90°/45°/ -45°］2s，對稱鋪層以消除層間耦合效果，工件厚2 mm，共16 層，每一層的厚度相等，均為0.125 mm，所選材料性能如表1 所示，其中1、2、3 分別表示纖維方向、垂直纖維方向以及層間法線方向［12］。

表1 碳纖維復(fù)合材料性能參數(shù)

碳纖維復(fù)合材料的失效方式包括以下3 種:纖維的斷裂、基體開裂以及分層，為實現(xiàn)用有限元方法模擬碳纖維復(fù)合材料失效過程，選擇Hashin 損傷起裂準(zhǔn)則來進行分析計算。碳纖維復(fù)合材料在Hashin 準(zhǔn)則下的各參數(shù)值如表2 所示［12］。

表2 碳纖維復(fù)合材料損傷模型 MPa

在有限元仿真過程中，單元網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到仿真的計算結(jié)果。網(wǎng)格劃分太疏，會導(dǎo)致計算結(jié)果不準(zhǔn)確;網(wǎng)格劃分太密，不僅會大大延長計算時間，而且在一定程度下，繼續(xù)加密網(wǎng)格反而會造成沙漏等不良后果。此外，單元類型的選擇也起著至關(guān)重要的作用。本文中，碳纖維復(fù)合材料的單元類型為減縮積分下的八節(jié)點連續(xù)殼單元(SC8R)，并且在加工孔的周圍把網(wǎng)格加密，遠離孔的部分采用較疏的網(wǎng)格，這樣不僅可以達到優(yōu)化計算結(jié)果的目的，還可以減少仿真所用的時間。銑刀的單元類型為4 節(jié)點線性四面體單元(C3D4)，刀刃部分也適當(dāng)加密網(wǎng)格。在仿真過程中把刀具設(shè)置為剛體，忽略刀具的變形。螺旋銑孔裝配圖如圖2 所示。

為了更好地說明螺旋銑孔的優(yōu)勢，建立鉆孔模型進行對比。鉆頭直徑為6 mm，相關(guān)參數(shù)的設(shè)置跟前面螺旋銑孔一致，碳纖維復(fù)合材料鉆孔裝配圖如圖3所示。

3 有限元仿真結(jié)果分析

為研究不同加工工藝和切削參數(shù)對制孔效果的影響，采用全面試驗的方法，分別分析了螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔下，不同主軸轉(zhuǎn)速、每齒進給量和每轉(zhuǎn)軸向切削深度對加工質(zhì)量和軸向力的影響，并進行對比。試驗過程中的加工參數(shù)如表3 所示。

表3 螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔的切削參數(shù)選擇

本文選取切削軸向力和分層因子來衡量加工質(zhì)量，分層因子Fd可由式(9)表示:

式中:Dmax為孔出口處破壞區(qū)域的最大直徑;D為實際預(yù)加工孔的直徑;分層因子Fd為兩者的比值，如圖4所示。

3.1 螺旋銑孔結(jié)果分析

固定每轉(zhuǎn)軸向切削深度a=0.1 mm/r，改變主軸轉(zhuǎn)速和每齒進給量，得到碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔軸向力F和分層因子Fd的變化曲線如圖5 和圖6 所示。從圖5 中可以看出，增大主軸轉(zhuǎn)速或減小每齒進給量都能夠減小軸向力的大小，而且每齒進給量對軸向力的影響更為明顯。在圖6 中，分層因子的變化曲線也有跟軸向力一樣的趨勢，但是變化幅度較小，這主要是因為螺旋銑孔的加工質(zhì)量較好，屬于精加工，能夠有效地減小碳纖維復(fù)合材料孔出口分層問題。

固定主軸轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，每齒進給量st=0.03 mm/齒，觀察每轉(zhuǎn)軸向切削深度對軸向力F和分層因子Fd的影響如圖7 所示。從圖中可以看出，每轉(zhuǎn)軸向切削深度對軸向力和分層因子的影響程度很大，當(dāng)每轉(zhuǎn)軸向切削深度為0.05 mm/r 時，軸向力和分層因子分別為96 N 和1.08;當(dāng)每轉(zhuǎn)軸向切削深度為0.20 mm/r 時，軸向力和分層因子增大到197 N 和1.29，分別增加了105.21%和19.44%。因此，為了保證加工質(zhì)量，應(yīng)選擇較小的每轉(zhuǎn)軸向切削深度。

對比圖5、圖6 和圖7，得出在螺旋銑孔過程中，切削參數(shù)對軸向力和加工質(zhì)量的影響順序為:每轉(zhuǎn)軸向切削深度＞每齒進給速度＞主軸轉(zhuǎn)速。

3.2 傳統(tǒng)鉆孔結(jié)果分析

圖8 和圖9 為不同切削參數(shù)下，碳纖維復(fù)合材料傳統(tǒng)鉆孔軸向力F和分層因子Fd的變化曲線。變化趨勢與螺旋銑孔中基本一致。隨著主軸轉(zhuǎn)速n的增加，軸向力和分層因子減小;隨著每齒進給量st的增加，軸向力和分層因子增加。而且，每齒進給量對軸向力和分層因子的影響大于主軸轉(zhuǎn)速。在主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min、每齒進給量0.05 mm/齒時，軸向力和分層因子有最大值213 N 和1.37;而在主軸轉(zhuǎn)速5 000 r/min、每齒進給量0.02 mm/齒時，軸向力和分層因子有最小值109 N 和1.20，相對于最大值分別降低了48.82%和12.41%。因此，在實際加工過程中，采用大的主軸轉(zhuǎn)速和小的每齒進給量有利于保證孔的加工質(zhì)量。

3.3 對比分析

從圖5 和圖8 可以看出，在相同的切削參數(shù)下，碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔的軸向力均要比傳統(tǒng)鉆孔小，從而有利于改善其出口質(zhì)量，如圖6 和圖9 所示。而且，隨著主軸轉(zhuǎn)速和每齒進給量增大時，螺旋銑孔的優(yōu)勢更為明顯?？梢?，作為一種新的制孔工藝，螺旋銑孔能夠有效地減小碳纖維復(fù)合材料制孔過程中出現(xiàn)的問題。

4 結(jié)語

本文基于ABAQUS 有限元仿真，對比分析了不同加工工藝和切削參數(shù)對碳纖維復(fù)合材料制孔的影響。得到的結(jié)論如下:

(1)在碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔過程中，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，軸向力和分層因子減小;隨著每齒進給量的增加，軸向力和分層因子增加;隨著每轉(zhuǎn)軸向切削深度的增加，軸向力和分層因子增加。切削參數(shù)對軸向力和分層因子的影響順序為:每轉(zhuǎn)軸向切削深度＞每齒進給速度＞主軸轉(zhuǎn)速。

(2)在碳纖維復(fù)合材料傳統(tǒng)鉆孔過程中，切削參數(shù)對軸向力和分層因子的影響規(guī)律與螺旋銑孔基本一致。采用大的主軸轉(zhuǎn)速和小的每齒進給量有利于保證加工質(zhì)量。

(3)對比碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔，無論是切削軸向力還是加工質(zhì)量，螺旋銑孔的效果都比傳統(tǒng)鉆孔好。

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