CFRP在鉆削加工中的聲發(fā)射特性

黃文亮 李鵬南 邱新義 許 磊 牛秋林

（湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201）

0 引言

近年來，CFRP廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和體育用品等領(lǐng)域［1］。鉆削加工是CFRP的主要切削加工形式之一，由于CFRP的加工機(jī)理不同于普通的均勻材料或各向同性的金屬材料，鉆削形成的損傷（如基體開裂、分層和纖維斷裂）使得鉆削后材料的強(qiáng)度和抗疲勞性大幅降低［2－3］，因此 CFRP的傳統(tǒng)鉆削一直是個難題。聲發(fā)射（Acoustic Emission）通過接收和分析材料的聲發(fā)射信號，評定材料性能和結(jié)構(gòu)完整性，因此利用聲發(fā)射技術(shù)可以有效地檢測出CFRP的內(nèi)部缺陷及損傷類型［4］。針對聲發(fā)射技術(shù)在檢測CFRP損傷方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的實驗研究。王新剛、陽能軍等［5］應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對T700環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料拉伸損傷過程進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明，材料加載初期的破壞主要是基體與界面損傷，后期主要是碳纖維損傷，且拉伸過程中聲發(fā)射信號重復(fù)性很強(qiáng)，存在峰值和“平靜期”。王兵等［6］利用聲發(fā)射技術(shù)對典型的碳／環(huán)氧CFRP的Ⅰ／Ⅱ混合模式分層行為和層間斷裂韌性進(jìn)行實驗研究，結(jié)果表明，碳纖維鋪層在損傷與斷裂不同階段所釋放的聲發(fā)射信號特征不同。陶進(jìn)等［7］對碳纖維復(fù)合芯損傷進(jìn)行了聲發(fā)射信號研究。結(jié)果表明，不同應(yīng)力損傷與聲發(fā)射信號功率譜頻率之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，而樹脂基體斷裂和碳纖維斷裂兩種不同缺陷的聲發(fā)射信號有明顯的區(qū)別。 N.Z.Karimi等［8］對 CFRP 鉆削進(jìn)行了聲發(fā)射信號研究，提出了一種識別不同損傷機(jī)制所發(fā)出的信號的方法。結(jié)果表明，把鉆削過程分為三個主要階段，即鉆入階段、鉆削階段和鉆出階段，通過非監(jiān)督的模式識別分析可以識別每個階段最活躍的損傷機(jī)制。 T.H.Loutas和 DeGroot等［9］研究學(xué)者應(yīng)用快速傅里葉變換和小波對復(fù)合材料拉伸斷裂過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進(jìn)行分析，得到每個頻段上信號的能量分布以及各種損傷類型所對應(yīng)信號的頻譜分布。目前聲發(fā)射技術(shù)在CFRP鉆削過程中損傷檢測的應(yīng)用還處于起步階段，本文根據(jù)CFRP鉆削過程中的缺陷產(chǎn)生機(jī)理，分析了普通麻花鉆在不同鉆削參數(shù)下的聲發(fā)射信號，并通過分析對比不同參數(shù)下的聲發(fā)射信號，對入口處撕裂和出口處撕裂的聲發(fā)射信號進(jìn)行了有效的識別，最后分析了鉆削參數(shù)對聲發(fā)射信號的影響。

1 實驗

1.1 材料及設(shè)備

鉆削實驗在四川長征機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的四軸三聯(lián)動立式加工中心KVC800上進(jìn)行，實驗采用Kistler公司生產(chǎn)的8152B221、8152B121壓電聲發(fā)射傳感器、5125B放大器、GL1100數(shù)據(jù)采集儀。如圖1所示聲發(fā)射傳感器用螺栓安裝在CFRP的待加工表面上，選擇采樣頻率為1 MHz。實驗還采用超景深三維顯微系統(tǒng)（KEYENCE VHX－500FE）對孔形貌進(jìn)行觀察，放大倍率為20～5 000倍，能夠觀察和準(zhǔn)確測量孔出入口處的撕裂情況。

圖1 聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)Fig.1 Acoustic emission signal acquisition system

T700碳纖維／LT－03A環(huán)氧復(fù)合材料層合板（300 mm×200 mm×5 mm），無錫威盛新材料科技有限公司，鋪層形式為：40 層［0／45／90／－45／0／45／90／－45／0／45／90／－45］s；YG6X 麻花鉆，特萊隆刀具廠生產(chǎn)，直徑為 6 mm，橫刃長度為 0.6 mm，螺旋角為 30°，頂角為 118°。

1.2 方法

鉆削實驗采用全因素實驗，主軸轉(zhuǎn)速為n＝1 500、2 500、3 500、4 500 r／min，進(jìn)給量為 f＝ 0.05、0.10、0.15、0.20 mm／r；每組參數(shù)進(jìn)行兩次，結(jié)果取兩次實驗的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 聲發(fā)射信號分析

由聲發(fā)射傳感器等硬件裝置采集得到了兩路信號，即濾波后的聲發(fā)射信號和聲發(fā)射信號的有效值電壓（RMS），主要討論各個加工參數(shù)與聲發(fā)射信號RMS的關(guān)系（圖2）。主要分析主軸轉(zhuǎn)速恒為n＝1 500 r／min的聲發(fā)射信號RMS。鉆削過程的聲發(fā)射信號RMS響應(yīng)可以分為鉆入、鉆削及鉆出時3個階段。從圖2可以看出噪聲與實驗信號有明顯區(qū)別。鉆入階段為橫刃開始接觸材料直至鉆尖完全鉆入材料，此階段內(nèi)聲RMS響應(yīng)曲線開始爬升；在鉆削階段內(nèi)信號相對比較平穩(wěn)；鉆出階段為鉆尖位于材料下部直至鉆尖完全鉆出。在鉆削階段和鉆出階段信號有明顯的突變，這種現(xiàn)象可能是由于層間損傷引起的。

圖 2 n＝1 500 r／min，f＝0.2 mm／r的 RMSFig.2 Acoustic emission signal（n＝ 1500r／min，f＝0.2mm／r）

圖3 為進(jìn)給量為0.1 mm／r的鉆削聲發(fā)射信號，圖2與圖3對比可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)給量為0.2 mm／r時鉆入階段起始處（t＝0.04 s處）有明顯的信號突變，信號峰值明顯增大。圖4將兩組參數(shù)下鉆入階段起始處的RMS響應(yīng)曲線放大，可以發(fā)現(xiàn)突變更為明顯。由圖4（a）可以看出進(jìn)給量為0.1 mm／r的鉆削 RMS峰值為0.85 V，信號比較平穩(wěn)。由圖4（b）可以看出進(jìn)給量為0.2 mm／r的鉆削正常信號的RMS峰值也為0.85 V，但是突變信號最大值達(dá)到了 0.98 V，增大了16.5%，經(jīng)分析判斷這一突變是由于入口撕裂引起的。 對進(jìn)給量為0.1和0.2 mm／r的孔進(jìn)行觀察，入口處撕裂情況如圖5所示，由圖5（a）可以看出進(jìn)給量為0.1 mm／r的孔無入口撕裂，入口質(zhì)量好。由圖5（b）可以看出進(jìn)給量為0.2 mm／r的孔有兩處入口撕裂，撕裂因子為 1.51，正好對應(yīng)著進(jìn)給量為 0.1 mm／r的鉆入階段起始處聲發(fā)射信號無突變，進(jìn)給量為0.2 mm／r的鉆入階段起始處聲發(fā)射信號有明顯突變，說明當(dāng)鉆削CFRP時，入口發(fā)生撕裂，則相對應(yīng)的聲發(fā)射信號將產(chǎn)生突變。

圖 3 n＝1 500 r／min，f＝0.1 mm／r的聲發(fā)射信號Fig.3 Acoustic emission signal（n＝1500r／min，f＝0.1mm／r）

圖4 n＝1 500 r／min的鉆入階段起始處RMSFig.4 Acoustic emission signal of the entrance at the initial stage（n＝1500 r／min）

圖5 n＝1 500 r／min孔的入口形貌 30×Fig.5 Entrance morphology of hole under n＝1500 r／min

同樣，經(jīng)對比可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)給量為0.2 mm／r是鉆出階段末尾處（t＝1.33 s處）有明顯的信號突變，信號峰值明顯增大。圖6將聲發(fā)射信號RMS響應(yīng)曲線放大，可以發(fā)現(xiàn)突變更為明顯。由圖6（a）可以看出進(jìn)給量為0.1 mm／r的鉆削聲發(fā)射信號峰值為0.90 V，信號比較平穩(wěn)。由圖6（b）可以看出進(jìn)給量為0.2 mm／r的鉆削聲發(fā)射信號正常信號的RMS值為1.00 V，而突變信號最大值達(dá)到了1.20 V，增大了20%，經(jīng)分析判斷這一突變是由于出口撕裂引起的。觀察出口處撕裂情況如圖7所示，由圖7（a）可以看出進(jìn)給量為0.1 mm／r的孔無出口撕裂，出口質(zhì)量好。由圖7（b）可以看出進(jìn)給量為0.2 mm／r的孔有一處出口撕裂，還有少量毛刺和啃邊，撕裂因子為1.18，正好對應(yīng)著進(jìn)給量為0.1 mm／r的鉆出階段末尾處聲發(fā)射信號無突變，進(jìn)給量為0.2 mm／r的鉆出階段末尾處聲發(fā)射信號有明顯突變，說明當(dāng)鉆削CFRP時，出口發(fā)生撕裂，則相對應(yīng)的聲發(fā)射信號將產(chǎn)生突變。因此，在鉆削過程中，入口處和出口處撕裂會引起聲發(fā)射信號的突變，通過分析聲發(fā)射信號能夠?qū)λ毫研盘栠M(jìn)行有效的識別。

圖6 n＝1 500 r／min的鉆出階段末尾處聲發(fā)射信號Fig.6 Acoustic emission signal of the exit at the end（n＝1500r／min）

圖7 n＝1 500 r／min孔的出口形貌 30×Fig.7 Exit morphology of hole undern＝1500r／min

2.2 鉆削參數(shù)對聲發(fā)射信號的影響

在鉆削過程中，碳纖維在刀具切削刃的作用下發(fā)生的斷裂、基體的開裂、分層損傷以及鉆頭與孔壁的摩擦都會釋放的聲發(fā)射能量。因而影響聲發(fā)射信號的因素有很多，包括鉆削參數(shù)、工件材料特性及刀具磨損等。因此，研究鉆削參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量）對聲發(fā)射信號的影響，能夠揭示鉆削過程聲發(fā)射信號的規(guī)律，以及鉆削參數(shù)與聲發(fā)射信號的關(guān)系。研究鉆削參數(shù)對聲發(fā)射信號的影響時，取鉆削階段的聲發(fā)射信號有效值電壓（RMS）的平均值作為分析對象（圖8）。

圖 8 n＝1 500 r／min，f＝0.1 mm／r的聲發(fā)射信號Fig.8 Acoustic emission signal（n＝1500r／min，f＝0.1mm／r）

圖9 為在不同主軸轉(zhuǎn)速下，AE－RMS隨進(jìn)給量的變化而變化的曲線圖，可知AE－RMS的大小與進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速有著很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖9 主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量與鉆削階段AE－RMS平均值的關(guān)系Fig.9 Relationship between rotating speed， feed and AE－RMS mean at the drilling stage

在鉆削過程中，相同主軸轉(zhuǎn)速下，AE－RMS隨著進(jìn)給量的增大而增大。這是由于在鉆削過程中，轉(zhuǎn)速一定時，隨著進(jìn)給量的增大，單位時間材料切除量也隨之增大，即碳纖維在刀具切削刃的作用下發(fā)生的斷裂也增多。另外，隨著進(jìn)給量的增大，鉆削軸向力也越來越大，層間損傷也增加，因而聲發(fā)射信號也表現(xiàn)為增大的趨勢。同樣，進(jìn)給量一定時，隨著轉(zhuǎn)速的增大，單位時間材料切除量也隨之增大，即碳纖維在刀具切削刃的作用下發(fā)生的斷裂也增多。另外，雖然隨著轉(zhuǎn)速的增大，鉆削軸向力越來越小，層間損傷減少，但是鉆頭與孔壁的摩擦加劇，因而RMS表現(xiàn)為增大的趨勢。因此，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速一定時，RMS隨著進(jìn)給量的增大而增大；當(dāng)進(jìn)給量一定時，RMS也隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大。

3 結(jié)論

在不同加工參數(shù)下進(jìn)行麻花鉆鉆削CFRP的實驗，同時利用聲發(fā)射傳感器對鉆削過程的聲發(fā)射信號進(jìn)行采集。通過分析普通麻花鉆在不同鉆削參數(shù)下鉆削CFRP的RMS，觀察孔的入口處與出口處形貌，和進(jìn)一步分析鉆削參數(shù)對RMS的影響，得出了以下結(jié)論。

（1）當(dāng)鉆削CFRP時，刀具鉆入階段RMS響應(yīng)曲線開始爬升；刀具鉆削階段，聲發(fā)射信號相對比較平穩(wěn)；刀具鉆出階段，RMS響應(yīng)曲線開始下降。入口處或出口處發(fā)生撕裂，相對應(yīng)的聲發(fā)射信號將產(chǎn)生突變，通過分析聲發(fā)射信號能夠?qū)λ毫研盘栠M(jìn)行有效的識別。

（2）鉆削過程中RMS的大小受進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速的影響。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速一定時，RMS隨著進(jìn)給量的增大而增大；當(dāng)進(jìn)給量一定時，RMS也隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大。

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