鋁蜂窩芯加工缺陷對蜂窩平壓性能的影響*

張?zhí)煨?，段春爭，常賓賓，李 超，王路平

(大連理工大學機械工程學院，大連 116024)

0 引言

蜂窩夾層結構復合材料由于具有極佳的空間幾何結構以及優(yōu)良的力學特性[1]，如密度小、比強度高、隔熱散熱性能好以及抗壓耐沖擊等優(yōu)異特性[2]，在航空航天、軌道交通、火箭導彈以及雷達衛(wèi)星等多個領域得到了廣泛應用[3]。目前，蜂窩夾層結構零件的外形逐漸多樣化，為了滿足各種工況需求，蜂窩芯的切削加工是必不可少的。然而，蜂窩芯材料屬于薄壁結構且正交各向異性，在芯格軸向具有較高的剛度，而在垂直于芯格軸向的面內方向剛度很低，在切削力的作用下容易導致芯格的變形，進而造成各種類型的加工缺陷[4]，加工缺陷的類型和占比直接影響到零件的使用性能和壽命[5]，因此，研究蜂窩材料的各加工缺陷對其力學性能的影響具有重要意義。

近年來隨著蜂窩夾層結構的廣泛應用，國內許多學者對蜂窩芯的加工工藝、力學性能等方面進行了深入的研究。金成柱[6]針對NOMEX蜂窩的高速銑削加工工藝進行了研究，建立了以銑削參數為因子的銑削力模型?；粜聺齕7]通過實驗和數值方法相結合，對鋁蜂窩夾層結構在不同加載工況下的耐撞性能以及失效機理進行了系統(tǒng)分析。辛亞軍等[8]通過準靜態(tài)實驗測試了鋁蜂窩夾芯板的壓縮性能，研究了面層厚度、孔棱大小、壓頭類型等因素對其極限載荷和吸能能力的影響。

對于蜂窩缺陷的研究，主要集中在蜂窩成型工藝中所造成的結構缺陷。李天藝[9]針對蜂窩成型過程中產生的缺陷進行了研究，發(fā)現(xiàn)通過選取高容重比的蜂窩原材和低固化壓力可以有效降低缺陷率。CHEN等[10]通過用橢圓孔代替缺陷，使用模擬方法估算出具有加工缺陷的蜂窩芯的應力和彎矩集中。廖明順等[11]通過模擬鋁蜂窩的壓縮過程，分析了鋁蜂窩芯制備過程中存在的缺陷及數量對其變形機制的影響。然而，目前關于鋁蜂窩加工缺陷對其力學性能的影響相關方面的研究較少，不同類型的加工缺陷對于蜂窩實際應用的影響也尚不明確。因此，深入研究鋁蜂窩芯材料加工缺陷對于其力學性能的影響，對優(yōu)化工藝參數及控制缺陷數量具有重要意義。

為分析鋁蜂窩芯加工缺陷對于蜂窩破壞機制和力學性能的影響，本文對加工后含有缺陷的蜂窩芯進行了準靜態(tài)壓縮實驗研究。在此基礎上，利用ABAQUS有限元仿真軟件，建立了含有加工缺陷的鋁蜂窩壓縮模型，通過實驗驗證有限元模型的可行性，基于有限元模型，分析不同加工缺陷對于鋁蜂窩力學性能的影響。

1 實驗方案

1.1 實驗材料

實驗所用材料為某公司生產的正六面體鋁蜂窩，蜂窩壁長度為3.7 mm，壁厚為0.05 mm。本文研究了含有加工缺陷的鋁蜂窩和正常蜂窩兩種試樣，蜂窩樣件規(guī)格為100 mm×100 mm×20 mm，上下兩塊蒙皮采用厚度為1 mm的鋁板，其長寬規(guī)格為100 mm×100 mm，利用粘結劑將鋁板與蜂窩芯上下表面均勻粘結，制備的實驗樣件如圖1所示。實驗刀具為棒銑刀，刀具型號為SA-AHM-D-1270，刀具直徑為12.7 mm。

圖1 鋁蜂窩夾層板試樣

1.2 實驗方案和儀器設備

為得到鋁蜂窩銑削加工后的典型缺陷類型和形貌特點，首先在DMU60五軸聯(lián)動加工中心完成銑削加工，鋁蜂窩銑削加工實驗現(xiàn)場如圖2所示。機床規(guī)格型號為DMU60 monoBlock，機床主軸最高轉速18 000 r/min，最大承重500 kg，可以滿足鋁蜂窩銑削實驗的加工要求。加工參數：主軸轉速為6000 rpm～12 000 rpm，間隔2000 rpm；進給速度為200～500 mm/min，間隔100 mm/min；銑削深度為1 mm～4 mm，間隔1mm。

圖2 銑削實驗現(xiàn)場圖

利用SANS CMT-5105微機控制電子萬能實驗機對試樣進行加載，如圖3所示，實驗機最大載荷為100 kN,實驗加載速率為1 mm/min，壓縮實驗按照GB /T1453-2005《夾層結構或芯子平壓性能實驗方法》進行，由計算機自動采集所有實驗數據。

圖3 加載設備

2 實驗結果與分析

2.1 鋁蜂窩芯加工缺陷

鋁蜂窩芯加工前后的表面形貌如圖4所示。

(a) 未加工蜂窩表面 (b) 銑削加工表面圖4 蜂窩表面對比

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，正常蜂窩芯表面光潔平整，芯格規(guī)則。目前銑削參數的選擇多靠經驗確定，由于銑削參數的不合理，鋁蜂窩芯銑削加工后的蜂窩表面伴有明顯缺陷。圖5為蜂窩芯表面各類型的加工缺陷。

(a) 撕裂毛刺 (b) 壓潰翻折

(c) 開裂脫膠圖5 蜂窩加工缺陷

通過VTM-3020F工具顯微鏡對加工后的蜂窩表面形貌觀察得到其缺陷類型主要有蜂窩毛刺、蜂窩壁壓潰翻折和開裂脫膠等加工缺陷。

2.2 壓縮實驗結果

鋁蜂窩壓縮載荷-位移曲線如圖6所示，加工前后蜂窩芯的載荷-位移曲線呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。

圖6 載荷-位移曲線

本文對正常蜂窩表面壓縮后的載荷-位移曲線進行分析，從曲線上看，鋁蜂窩夾芯結構平面壓縮分為4個階段：彈性階段(A-B)：壓縮載荷在達到峰值21.703 kN之前呈線性增長趨勢，對應位移為0.512 mm，在此階段的試件基本未發(fā)生變化；破壞階段(B-C)：載荷達到峰值以后，顯著下降至10 kN左右，對應位移0.92 mm，此階段內鋁蜂窩壁開始出現(xiàn)壓潰，蜂窩芯沿高度方向發(fā)生折疊，蜂窩結構發(fā)生塑性變形；持續(xù)破壞階段(C-D)：在此階段內試樣主要破壞形式為蜂窩的褶皺折疊，蜂窩芯逐漸塌陷，隨著加載位移的增加，壓縮載荷曲線變化不大，保持在11 kN左右；致密階段(D-E)：隨著蜂窩芯夾層結構不斷的折疊，在加載至致密點D，對應位移量為15 mm，載荷曲線開始反彈，蜂窩結構逐漸被壓實，而后隨著壓縮位移的增加，載荷開始直線上升，蜂窩芯由薄壁多孔結構壓縮堆積為片狀實體，其結構徹底破壞。

由圖6可知，加工前后蜂窩芯的極限載荷分別為21.703 kN和19.995 kN，鋁芯蜂窩的平壓性能下降了8%?？梢缘贸觯湫图庸と毕莸拇嬖跁︿X蜂窩的力學性能產生顯著影響，但是在加工后的蜂窩表面上各種加工缺陷同時存在，分布在不同的蜂窩壁上，通過實驗難以單獨分析，后續(xù)通過有限元模擬分析不同缺陷對于鋁蜂窩的壓縮性能的不同影響。

3 有限元仿真

為了研究不同加工缺陷對于鋁蜂窩平壓性能的影響，利用有限元仿真分別進行詳細分析，分別建立含有不同缺陷的壓縮模型，利用后處理?？燧敵隽﹄S時間的變化曲線，并與正常蜂窩進行比較，分析各種缺陷不同嚴重程度對于鋁蜂窩力學性能的影響。

3.1 有限元建模

利用ABAQUS軟件進行有限元模擬仿真，根據鋁蜂窩芯材料實際尺寸建立仿真模型。鋁蜂窩的材質為鋁合金5052(AL5052)，材料參數如表1所示。采用單因素仿真分析法，分別比較不同缺陷的鋁蜂窩壓縮性能，通過設置缺陷不同的數量、位置、長度等參數來定量描述缺陷的嚴重程度。

表1 AL5052材料屬性

3.2 有限元模型驗證

為了驗證所建立的有限元模型，首先對無缺陷的鋁蜂窩芯進行模擬仿真，模擬得到的鋁蜂窩壓縮載荷-位移曲線如圖7所示，同時與實驗測得的數據進行比較，從圖中可以看出，模擬的結果和實驗數據吻合較好，載荷-位移曲線整體變化趨勢相似，驗證了仿真結果的正確性和有限元模型的可行性。

圖7 實驗和仿真載荷比較

3.3 撕裂毛刺的影響

在鋁蜂窩的銑削加工中，撕裂毛刺是最常見的缺陷形式，如圖5a所示，撕裂毛刺一般發(fā)生在單層蜂窩壁上。通過蜂窩壁的缺失來模擬鋁蜂窩銑削加工中的撕裂毛刺缺陷，如圖8所示，通過改變缺陷的位置、數量和長度來模擬缺陷的嚴重程度。為了提高計算效率，對樣件的截面尺寸進行一定比例的縮放。

圖8 撕裂毛刺缺陷模擬

對于蜂窩不同位置處設置毛刺缺陷如圖9所示。

(a) 位置1 (b) 位置2

(c) 位置3 (d) 位置4圖9 不同位置示意圖

通過仿真結果比較不同位置缺陷的影響，發(fā)現(xiàn)載荷曲線基本重合，如圖10所示，缺陷位置的不同對于蜂窩芯平面壓縮的影響不大。

圖10 不同撕裂位置載荷-位移曲線

通過銑削加工后的蜂窩芯表面發(fā)現(xiàn)，撕裂毛刺的長度大小不一，在0.36～3.12 mm之間，蜂窩壁壁長3.7 mm，因此在探究缺陷長度對其影響時，分別設置0.1L、0.3L、0.5L、0.7L、0.9L(L為蜂窩芯壁長)的不同長度進行分析。不同毛刺長度對于蜂窩芯承載能力的影響如圖11所示。

圖11 不同長度毛刺影響

由圖11可知，當含有撕裂毛刺缺陷的蜂窩壁數量為蜂窩芯壁整體壁數的2%時，由于缺陷數量較少，隨著缺失長度的增加，其極限載荷值基本不變，即使蜂窩壁缺失長度達到0.9L,其極限載荷仍為正常蜂窩芯的96%以上；當含有缺陷的蜂窩壁數量增加到4%以后，蜂窩芯所能承受的極限載荷均有所下降，且隨著缺陷數量的增加，這種趨勢越來越明顯；當毛刺缺陷數量達到整個蜂窩芯壁的20%，毛刺長度超過單壁長度的50%以后，隨著毛刺缺陷的加劇蜂窩芯的承載能力急劇下降，當毛刺缺陷長度為0.9L,數量占比為30%時影響最為顯著，此時蜂窩芯的極限載荷降低至正常蜂窩的80%以下。

不同毛刺缺陷數量對于蜂窩壓縮極限載荷的影響如圖12所示，由圖可以看出，當蜂窩壁缺失長度為0.1L時，由于壁缺失長度相對較小，蜂窩芯的結構比較完整，此時含有不同缺陷數量的蜂窩芯在壓縮過程中的極限載荷基本相同，說明當壁缺失長度為0.1L時不同數量的缺陷對于蜂窩的承載能力影響不大；當蜂窩壁毛刺缺陷缺失長度達到0.3L以后，隨著壁缺失比例的增加，蜂窩的承受的極限載荷隨缺陷數量的增加開始下降，當毛刺長度達到單壁的90%時最為明顯。總體來說，在鋁蜂窩的壓縮過程中，單壁缺失比例和數量共同影響其承載能力。

圖12 缺陷數量影響

3.4 蜂窩壁翻折的影響

蜂窩芯的壓潰翻折缺陷如圖5b所示，可以看到鋁蜂窩芯單壁發(fā)生彎曲變形，蜂窩壁壓潰而產生一定的翻折。蜂窩壁的壓潰翻折的模擬如圖13所示。

圖13 蜂窩壁翻折模擬

通過改變翻折的位置和缺陷的數量來模擬不同缺陷的嚴重程度，分別比較位于中心區(qū)域、蜂窩邊緣和隨機分布的蜂窩壁翻折以及不同數量的影響，結果如圖14和圖15所示。

由圖可知，不同位置的缺陷載荷曲線基本重合，同時增加缺陷比例對于蜂窩的極限載荷變化不大，蜂窩壁壓潰翻折缺陷對于蜂窩壓縮性能影響較小。

3.5 蜂窩芯節(jié)點開裂脫膠的影響

鋁蜂窩加工過程中也出現(xiàn)了雙壁脫膠現(xiàn)象，蜂窩節(jié)點的開裂脫膠的模擬如圖16所示，實驗中產生的開裂長度在蜂窩雙壁長度的20%以內，通過設置不同的開裂長度和脫膠節(jié)點的數量來模擬缺陷的嚴重程度。

圖16 蜂窩芯節(jié)點開裂模擬

蜂窩芯節(jié)點脫膠缺陷對于蜂窩承載能力的影響如圖17和圖18所示，結果表明，缺陷數量對于含有不同長度開裂膠缺陷蜂窩的影響不同，隨著缺陷數量的增加，當開裂長度為蜂窩壁長的10%時，缺陷數量的增加對于蜂窩的力學性能影響不大；當開裂長度超過蜂窩壁長的10%以后，隨缺陷數量的增加，蜂窩的力學性能呈現(xiàn)下降的趨勢，且隨著開裂脫膠缺陷長度的增加，下降趨勢更加明顯。由圖18可知，當缺陷數量在18%以內時，不同長度的開裂脫膠缺陷影響較小，當缺陷數量繼續(xù)增加，隨著開裂長度的增加，其承載能力開始降低，但其極限載荷保持在正常蜂窩的95%以上，整體來說蜂窩節(jié)點的開裂缺陷對于蜂窩的壓縮性能會產生一定的影響，但影響較小，只有在蜂窩節(jié)點開裂的長度和數量均達到一定程度后，其力學性能開始下降，但下降幅度不大。

圖17 開裂數量影響圖18 開裂長度影響

4 結論

本文對鋁蜂窩加工缺陷進行了分析，通過實驗和有限元模擬分析了鋁蜂窩加工缺陷的種類和形貌特征，分別比較了不同缺陷對于鋁蜂窩平壓性能的影響，得到了如下的結論：

(1)蜂窩結構的面內剛度較弱，在加工時易產生各種加工缺陷，主要缺陷類型有：位于蜂窩單壁上的撕裂毛刺和壓潰翻折，以及位于節(jié)點處的開裂脫膠。

(2)分析蜂窩芯平面壓縮載荷-位移曲線，從曲線上看，鋁蜂窩夾芯結構平面壓縮分為彈性階段、損傷階段、持續(xù)破壞階段和致密階段，加載至致密點以后，蜂窩載荷隨位移的增加迅速上升，蜂窩逐漸被壓實，成為片狀實體，蜂窩結構徹底破壞。

(3)三種缺陷中撕裂毛刺對于鋁蜂窩平壓性能的影響最大，撕裂毛刺缺陷造成蜂窩壁的缺失，使其結構發(fā)生破壞；蜂窩壁的翻折影響較??；節(jié)點處的開裂脫膠在達到一定的劇烈程度后，鋁蜂窩芯的承載能力會有一定的下降，下降幅度在5%以內。