碳纖維復(fù)合材料切削制孔軸向力仿真分析及缺陷實(shí)驗(yàn)

鄭春龍

（意大利倍珞蒂機(jī)床上海分公司，上海 201906）

鉆削是碳纖維復(fù)合材料加工中較為常見的一種加工模式，利用鉆具的切削刃，在定位點(diǎn)上垂直于材料表面切削制孔。其中，鉆頭橫刃由于線速度較低，對材料的切削作用有限，更多的是利用擠壓和摩擦作用增加切削深度。由于碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度較大，當(dāng)軸向力達(dá)到一定程度時(shí)，一方面是導(dǎo)致材料出現(xiàn)斷裂、分層的情況，另一方面也加劇了刀具的磨損。因此，通過開展切削制孔軸向力分析，明確影響碳纖維復(fù)合材料切削制孔中軸向力大小的因素，有助于改進(jìn)加工工藝。

1 碳纖維復(fù)合材料切削制孔軸向力仿真分析

1.1 建立刀具模型

1.1.1 刀體建模

運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS 中的Part 模塊，可以建立常規(guī)的工件模型和刀具模型，如標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆、大后角麻花鉆、燭芯鉆等。以標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆為例，建模時(shí)首先輸入直徑參數(shù)，選擇圓柱實(shí)體，可以得到?10 鉆頭實(shí)體。然后標(biāo)記出圓柱體的軸線，設(shè)定螺旋角β 為30°，得到環(huán)繞圓柱體的螺旋線。根據(jù)標(biāo)記出的螺旋線，保持頂角118°不變，采用“切削刃等分-圓柱螺旋掃掠法”，制作容屑槽，即可得到想要的刀體模型?；緟?shù)為：刀具直徑D 為10mm，鉆芯直徑d 為1.5mm，頂角弧度118°，刃厚m 為0.8mm，切削刃間距B 為6.8mm，截面內(nèi)徑q 為9.2mm，標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的側(cè)視圖和俯視圖如圖1所示。

圖1 刀體模型的側(cè)視圖和俯視圖

1.1.2 鉆頭切削刃建模

麻花鉆的鉆頭切削刃，根據(jù)其作用的不同又可分為主切削刃和副切削刃兩種類型。在切削刃的建模方法上，常用的有參數(shù)化建模和后刀面刃磨兩種。前者是首先確定切削刃的基本參數(shù)，然后利用建模軟件畫出后刀面，即可得到主、副切削刃。后者是先磨削鉆頭，自然形成后刀面，再收集各項(xiàng)參數(shù)。本次仿實(shí)驗(yàn)用中，選擇錐面刃磨法制作鉆頭切削刃模型，成型后刀面不容易出現(xiàn)“翹尾”情況。以標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆模型為基礎(chǔ)，通過修改參數(shù)可分別得到傳統(tǒng)麻花鉆、大后角麻花鉆、臺(tái)階麻花鉆、燭芯鉆等模型，另外還建立了8mm 銑刀模型，共計(jì)5 種。

1.2 數(shù)值模擬前處理過程

模型準(zhǔn)備完成后，運(yùn)行ABAQUS 軟件，在新建文件中導(dǎo)入刀具幾何模型。在“設(shè)置”選項(xiàng)中，設(shè)定工件的參數(shù)，尺寸為24mm×24mm，型式為3D-deformable-Shell。保存之后，再打開軟件中的Property 模塊，設(shè)定復(fù)合材料的屬性，包括剪切模量、泊松比等。保存之后，打開軟件中的Composite Layup 模塊，建立復(fù)合材料。設(shè)置材料的單層厚度為0.30mm，方向依次是0°、45°、90°、-45°。考慮到實(shí)際切削加工中，刀具和工件之間會(huì)存在較大的摩擦力，因此在仿真實(shí)驗(yàn)中也要設(shè)置摩擦系數(shù)?？烧{(diào)用該軟件的Interaction 模塊，設(shè)定摩擦系數(shù)為0.12。在該軟件的Load 模塊中，設(shè)置切削參數(shù)，轉(zhuǎn)速有三檔，分別是1500r/min、2000 r/min、3000 r/min；進(jìn)給量有三檔，分別是100mm/min、200 mm/min、300 mm/min。

1.3 切削制孔軸向力仿真分析

仿真過程中，設(shè)定參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，軸向進(jìn)給量100mm/min，收集隨著刀具位移增加軸向力的變化數(shù)據(jù)，并繪制二維坐標(biāo)曲線。不同刀具的軸向力變化情況如圖2 所示。

圖2 不同類型刀具的軸向力對比

結(jié)合圖2 可知，兩種麻花鉆因?yàn)槟Ｐ徒Y(jié)構(gòu)較為相似，所以軸向力變化規(guī)律也十分現(xiàn)實(shí)。鉆頭剛剛接觸工件時(shí)，軸向力有明顯的加大趨勢，并且在主切削刃完全沒入材料后，軸向力達(dá)到峰值。此時(shí)傳統(tǒng)麻花鉆的軸向力為75N，大后角麻花鉆的軸向力為68N。兩種刀具的位移量分別為2.8mm、2.5mm。之后隨著鉆頭繼續(xù)切削，軸向力開始減小，在刀具位移量5.7mm 和5.5mm 時(shí)，軸向力為0。燭芯鉆與螺旋銑在碳纖維復(fù)合材料切削制孔中，軸向力變化相似。燭芯鉆加工中，在刀具接觸材料表面，至進(jìn)給位移0.8mm 時(shí)，軸向力不斷增加，在0.8mm 時(shí)達(dá)到峰值，為105N，之后刀具位移從0.8-1.5mm 之間，軸向力基本保持不變，在1.5-3.0mm 時(shí)，軸向力快速降低，最終為0。螺旋銑也基本保持了這一規(guī)律，但是在具體軸向力與刀具位移的具體關(guān)系上有一定變化。

結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)5 種刀具切削制孔時(shí)，在進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速變化的情況下，最大軸向力結(jié)果如表1 所示。

表1 各種刀具進(jìn)給量與主軸轉(zhuǎn)速對軸向力的影響（單位：N）

結(jié)合表1 可知，在刀具類型和進(jìn)給量相同的情況下，主軸轉(zhuǎn)速越快，則軸向力越小；例如，大后角麻花鉆在進(jìn)給量為100mm/min 時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min 時(shí)，最大軸向力為90.4N，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至2000r/min 時(shí)，最大軸向力為81.3N。在刀具類型和主軸轉(zhuǎn)速相同的情況下，進(jìn)給量越大，則軸向力越大，兩者為正比關(guān)系。

2 碳纖維復(fù)合材料切削制孔的缺陷實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

碳纖維復(fù)合材料在切削制孔中有較高概率出現(xiàn)缺陷，多發(fā)生在孔口、孔壁位置?，F(xiàn)以孔口缺陷為例，開展缺陷實(shí)驗(yàn)分析。選擇一塊厚度為5mm 的碳纖維復(fù)合板，使用?10mm 的硬質(zhì)合金刀具，設(shè)定切削參數(shù)為：鉆削速度30-120m/min，進(jìn)給速度0.1-0.3mm/min。另外為防止切屑飛濺和有效降溫，使用水溶性切削液。實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)立式數(shù)控銑床上完成，主要參數(shù)如表2 所示。

表2 工作臺(tái)基本參數(shù)

2.2 孔口缺陷情況

孔口出現(xiàn)毛邊、分層是一種鉆削加工中常見的質(zhì)量缺陷。分層因子是衡量制孔質(zhì)量的一個(gè)核心指標(biāo)，其值越大，說明孔口分層缺陷越嚴(yán)重。因此，明確影響分層因子的因素，可以有效預(yù)防孔口缺陷的發(fā)生。設(shè)定進(jìn)給量為1000mm/min，作為定量。主軸轉(zhuǎn)速分別為1500r/min、2000 r/min、3000 r/min，對應(yīng)的分層因子變化如圖3 所示。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速對分層因子的影響

按照同樣的方法，設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min，作為定量。進(jìn)給量分別為100mm/min、175 mm/min、200 mm/min，對應(yīng)的分層因子如圖4 所示。

綜合圖3、圖4 變化規(guī)律，主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，進(jìn)給量為100mm/min 時(shí)，分層因子可以達(dá)到最小，切削制孔中出現(xiàn)孔口分層缺陷的概率較低，對提高制孔質(zhì)量有積極幫助。

圖4 進(jìn)給量對分層因子的影響

3 結(jié)論

在碳纖維復(fù)合材料的推廣使用中，如何提高其成孔加工質(zhì)量是決定材料性能的關(guān)鍵因素。本文通過構(gòu)建刀具模型，進(jìn)行切削制孔軸向力的仿真分析，認(rèn)為材料性能、刀具結(jié)構(gòu)、切削參數(shù)等，對切削制孔軸向力的影響較為明顯。同時(shí)，通過開展缺陷實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速2 項(xiàng)指標(biāo)對制孔缺陷的影響。今后在碳纖維復(fù)合材料的成孔工藝中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)切削參數(shù)，并選擇合適的加工刀具，才能在提高成孔質(zhì)量的基礎(chǔ)上，降低刀具磨損。