碳纖維增強復(fù)合材料/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆削仿真研究

黃秋實，徐錦泱，林鐵宇

上海交通大學(xué)

1 引言

碳纖維增強復(fù)合材料是以樹脂等為基體、碳纖維或碳纖維織物增強而形成的復(fù)合材料，因其輕質(zhì)、比強度高、比模量高及耐腐蝕等物理性質(zhì)在汽車、航空領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1，2]。CFRP常與金屬合金(如鈦合金)組成疊層結(jié)構(gòu)，在減輕重量的同時利用材料的不同特點獲得更優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，故可以滿足大型飛機結(jié)構(gòu)件在極端服役條件下對性能與輕量化的要求[3-5]。

在實際應(yīng)用中，疊層結(jié)構(gòu)CFRP/Ti常通過鎖緊/高鎖螺栓連接和抽芯鉚接等方式形成裝配件，因此疊層制孔質(zhì)量會極大地影響結(jié)構(gòu)件的裝配質(zhì)量。為提高疊層連接孔的同軸度和加工效率，復(fù)合材料/金屬合金常通過一體化制孔方式加工[6]，然而，由于碳纖維增強復(fù)合材料和鈦合金各自的物理力學(xué)性能和切削加工性存在巨大差異，疊層結(jié)構(gòu)在鉆削力熱耦合作用下極易產(chǎn)生嚴重的制孔缺陷(如界面分層[7，8]、層間毛刺[9]和層間間隙[3，4]等)，導(dǎo)致刀具劇烈磨損[10，11]以及極短的刀具壽命[12]。

當(dāng)前航空制造領(lǐng)域有關(guān)疊層界面缺陷的預(yù)測與控制仍高度依賴于操作者的工作經(jīng)驗，對于疊層鉆孔界面缺陷的抑制研究缺乏相應(yīng)仿真模型支撐。在疊層結(jié)構(gòu)CFRP/Ti鉆削仿真領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者的研究大多集中在工藝參數(shù)與缺陷的表層聯(lián)系，缺乏系統(tǒng)性、理論性的切削模型構(gòu)建與研究。為此，本文針對疊層結(jié)構(gòu)CFRP/Ti的難加工特性，應(yīng)用有限元仿真軟件進行疊層結(jié)構(gòu)三維鉆削建模研究，模擬CFRP/Ti的鉆削過程，并揭示不同鉆削順序?qū)ΟB層結(jié)構(gòu)切削輸出響應(yīng)的作用規(guī)律，為疊層結(jié)構(gòu)CFRP/Ti的高效精密加工提供指導(dǎo)。

2 建立有限元模型

由于復(fù)合材料層和鈦合金層的性質(zhì)差異較大，且CFRP需要按照指定方向鋪層，因此，在有限元建模仿真過程中，分別對復(fù)合材料層和鈦合金層進行建模再裝配，并在疊層界面附加邊界條件進行約束。

CFRP/Ti鉆削模型的幾何尺寸設(shè)為50mm×50mm×12mm (長×寬×高)，CFRP層厚設(shè)為6.4mm，鈦合金層厚設(shè)為5.6mm。疊層結(jié)構(gòu)的底部設(shè)為ENCASTRE邊界，即約束所有方向的運動。此外，基于材料坐標系(1，2，3)定義CFRP鋪層方向為[(0°/45°/-45°/90°)2]，共鋪設(shè)8層，每層厚度均為0.8mm，疊層結(jié)構(gòu)物理模型見圖1。鉆削刀具設(shè)為直徑8mm、總長50mm的麻花鉆，鉆頭頂角為120°，螺旋角為30°，其模型見圖2。

圖1 疊層結(jié)構(gòu)模型

圖2 鉆頭模型

2.1 CFRP層建模

單向鋪層CFRP復(fù)合材料在纖維軸向、橫向及厚度方向的線彈性物理參數(shù)主要包括：彈性模量E1，E2，E3；剪切模量G12，G13，G23；泊松比υ12，υ13，υ23(下標1，2，3分別表示纖維方向、纖維橫向方向和纖維厚度方向)。此外，在正交鋪層模式下，且坐標系(1，2，3)分別與纖維方向、纖維橫向方向和纖維厚度方向一致，CFRP層合板的力學(xué)性能可用如下本構(gòu)關(guān)系描述為

{σ}=[G]{ε}

(1)

(2)

式中，{σ}為應(yīng)力矢量；[G]為剛度矩陣；{ε}為應(yīng)變矢量。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，σij為應(yīng)力分量，i，j= 1，2，3(1和2為面內(nèi)纖維和基體方向，3為面外方向)；XT，XC和YT，YC分別為纖維和基體的拉伸強度(T)及壓縮強度(C)；S12，S13和S23分別為縱向剪切強度和兩個橫向剪切強度。復(fù)合材料層所用力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 復(fù)合材料層所用力學(xué)性能參數(shù)[13，14]

2.2 鈦合金層建模

將鈦合金層定義為各向同性均質(zhì)材料，采用Johnson-Cook本構(gòu)模型與損傷準則[15]模擬其加工過程，所用參數(shù)如表2所示。

表2 J-C本構(gòu)模型與損傷模型參數(shù)[16]

2.3 界面建模與網(wǎng)格劃分

在疊層模型CFRP/Ti中，鈦合金層和復(fù)合材料層均采用8節(jié)點熱耦合六面體單元(C3D8RT)，使其具有更好的收斂性，并用增強型沙漏控制整個單元。界面層用8節(jié)點三維內(nèi)聚力網(wǎng)格單元(COH3D8)，同樣用增強型沙漏控制整個單元。界面層用Cohesive模型，同時引入內(nèi)聚力行為(Cohesive Behavior)控制“CFRP-Ti”及“CFRP-CFRP”界面接觸，并用于描述界面在切削過程中的分層損傷。

為了保證仿真精度與控制運算時間成本，對疊層板進行九宮格切分，中心位置的正方形邊長為12mm，沿邊長劃分出60個等大網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為0.2mm(見圖3)。同時將正方形外的區(qū)域設(shè)為較大網(wǎng)格尺寸，而介于中心到邊緣之間的區(qū)域，選中相關(guān)線段，采用非等大網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格數(shù)量設(shè)為6個，Bias設(shè)為10。另外，在疊層板厚度方向分別對鈦合金層、纖維層以及界面層進行網(wǎng)格劃分，且鈦合金層在厚度方向上的網(wǎng)格尺寸為0.2mm，纖維層在厚度方向上的網(wǎng)格尺寸為0.1mm，界面層在厚度方向上的網(wǎng)格尺寸為0.1mm。

圖3 疊層鉆削模型網(wǎng)格劃分

3 疊層鉆削結(jié)果分析

在疊層結(jié)構(gòu)鉆削仿真過程中，鉆頭切削速度設(shè)為120m/min，進給量設(shè)為1mm/r，刀具沿順時針方向轉(zhuǎn)動；鉆頭的切削深度設(shè)為12mm，分析步時間設(shè)為0.3s，環(huán)境初始溫度設(shè)為20℃。

鉆削過程可粗略分為三個階段，即疊層1的鉆削、疊層界面鉆削和疊層2的鉆削(見圖4)。使用ABAQUS軟件自帶的可視化功能，設(shè)剖切面為平行于刀具軸線且經(jīng)過工件中心的平面，并隱藏鉆削刀具，得到各階段鉆孔的形成過程，直觀地觀察各個鉆削階段工件內(nèi)部應(yīng)力、溫度的分布情況及制孔損傷情況。其中S，Mises為應(yīng)力云圖，NT11為溫度云圖。

圖4 疊層結(jié)構(gòu)鉆削各階段

3.1 鉆削應(yīng)力

由于CFRP屬于硬脆材料，在鉆削失效前不會出現(xiàn)明顯的彈塑性變形，因此CFRP材料在非鉆削區(qū)域幾乎不產(chǎn)生應(yīng)力。而鈦合金具有彈塑性，且在鉆削后期厚度變薄、結(jié)構(gòu)強度不斷減弱，會產(chǎn)生明顯的彎曲變形，因而應(yīng)力影響范圍較大。

圖5為CFRP→Ti鉆削順序下的疊層結(jié)構(gòu)孔內(nèi)壁應(yīng)力分布情況。觀察鉆削應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，CFRP層工件各位置應(yīng)力波動范圍較小，僅在孔壁上有輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象；而鈦合金層的鉆削應(yīng)力影響區(qū)域以孔圓心為中心向外擴散，最大應(yīng)力仍在孔壁上，且向外應(yīng)力遞減。

(a)疊層1鉆削

圖6為Ti→CFRP鉆削順序下的疊層結(jié)構(gòu)孔內(nèi)壁應(yīng)力分布。由圖可見，CFRP層和鈦合金層的鉆削應(yīng)力分布情況與CFRP→Ti鉆削順序下的特征基本一致。在整個鉆削過程中，鈦合金層受應(yīng)力影響范圍較大，應(yīng)力變化幅度更大，這些特點在鉆削鈦合金層時尤為明顯。

(a)疊層1鉆削

選取疊層界面上及制孔內(nèi)表面的若干節(jié)點(取點原則見圖7)，繪制工件上各節(jié)點相應(yīng)的應(yīng)力-時間關(guān)系曲線(見圖8和圖9)。在鉆削過程中，未鉆削部分同樣受鉆削應(yīng)力的影響，且越靠近孔壁接近失效的材料承受應(yīng)力越大。對比兩種鉆削順序下的界面節(jié)點應(yīng)力-時間曲線，可以看出，靠近鉆孔孔壁位置的節(jié)點(CFRP→Ti為點4；Ti→CFRP為點5)應(yīng)力最大，且應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時刻與刀具鉆削疊層界面的時間段吻合。CFRP→Ti鉆削順序整體應(yīng)力更小，與理論分析以及剖面鉆削應(yīng)力云圖顯示的鉆削力分布結(jié)果相吻合。

圖7 疊層界面選點

圖8 CFRP→Ti疊層結(jié)構(gòu)選取點應(yīng)力-時間關(guān)系曲線

圖9 Ti→CFRP疊層結(jié)構(gòu)選取點應(yīng)力-時間關(guān)系曲線

3.2 鉆削溫度

由于金屬材料的彈塑性特性，鉆削過程將產(chǎn)生較大的變形并由此產(chǎn)生更多的熱量，因此在CFRP/Ti疊層板鉆削過程中，鉆削鈦合金層時溫度更高?？紤]CFRP層產(chǎn)生的鉆削熱相較于鈦合金層對整個疊層結(jié)構(gòu)的鉆削影響甚小，為簡化模型，建模時忽略CFRP層熱學(xué)特性參數(shù)。因此，在仿真中CFRP→Ti鉆削順序的第1階段、Ti→CFRP的第2、3階段均無熱反應(yīng)，溫度維持在20℃。

圖10和圖11為CFRP→Ti鉆削順序下的工件剖面鉆削溫度分布，圖12為Ti→CFRP順序下的鉆削溫度分布。由仿真結(jié)果得，在鈦合金層的鉆削過程中，整個孔壁范圍內(nèi)的溫度場分布趨于均勻。由于切削熱的累積，鉆削后期的孔壁溫度較鉆削前期更高，且溫度波動始終位于300℃～800℃內(nèi)。非鉆削區(qū)域的溫度場幾乎不受鉆削工序的影響，僅有孔壁外很小的區(qū)域中有溫度變化，且快速衰減至環(huán)境溫度。

圖10 CFRP→Ti疊層鉆削溫度分布(界面鉆削)

圖11 CFRP→Ti疊層鉆削溫度分布(疊層2鉆削)

圖12 Ti→CFRP疊層溫度分布(疊層1鉆削)

圖13和圖14為節(jié)點1～5在CFRP→Ti和Ti→CFRP兩種鉆削順序下的溫度-時間關(guān)系曲線，選點原則同圖7；兩種鉆削順序下的溫度-時間關(guān)系非常相似，各點存在相似的升溫過程，最高溫度均在靠近鉆孔孔壁位置節(jié)點(CFRP→Ti為點4，Ti→CFRP為點5)，且最高溫度沒有明顯差異。

圖13 CFRP→Ti鉆削溫度-時間關(guān)系曲線

圖14 Ti→CFRP溫度-時間關(guān)系曲線

綜合分析剖面溫度云圖以及溫度-時間關(guān)系曲線可知，兩種鉆削順序下的鉆削溫度分布規(guī)律一致，溫度區(qū)間也無明顯差異，鉆削順序?qū)︺@削溫度幾乎沒有影響。

3.3 鉆孔質(zhì)量

在CFRP/Ti疊層結(jié)構(gòu)鉆削仿真過程中，兩種鉆削順序在鉆孔質(zhì)量上表現(xiàn)出一定的相似性：CFRP層的鉆孔質(zhì)量較高；鈦合金層鉆孔質(zhì)量較低且存在較多缺陷以及網(wǎng)格畸變。這是由于CFRP屬于硬脆材料，在失效時通常不會出現(xiàn)明顯的彈塑性變形；而在鈦合金層鉆削后期，鈦合金板出現(xiàn)了較為明顯的彎曲變形且不斷加劇，影響鉆孔質(zhì)量。

圖15為CFRP→Ti鉆削順序下的成孔參數(shù)以及界面層的損傷情況。在該順序下，鉆削最終孔徑為8.4mm，實際孔徑與刀具直徑之比η=1.05，鉆孔質(zhì)量較高，界面層上的損傷較小，僅在標注處存在應(yīng)力集中。

圖15 CFRP→Ti疊層界面質(zhì)量

圖16為Ti→CFRP鉆削順序下的成孔參數(shù)以及界面層的損傷情況。在該順序下，鉆削最終孔徑為9.36mm，實際孔徑與刀具直徑之比η=1.17，鉆孔質(zhì)量較差，界面層上的損傷范圍大、程度重，標注處存在較為嚴重的鈦合金材料彎曲變形，進而導(dǎo)致了較大的界面損傷。

圖16 Ti→CFRP疊層界面質(zhì)量

由于CFRP屬于硬脆材料，鉆削過程中不會出現(xiàn)明顯的彈塑性變形，因此當(dāng)鉆削順序為CFRP→Ti時，CFRP材料在失效時通常不會出現(xiàn)明顯彎曲，不會擠壓界面層導(dǎo)致疊層界面損傷。而鉆削順序為Ti→CFRP時，在鉆削鈦合金層后期，由于板材逐漸變薄，結(jié)構(gòu)強度逐漸減弱，鈦合金板出現(xiàn)了較為明顯的彎曲變形且不斷加劇，累積應(yīng)力直至界面層失效，在疊層界面呈現(xiàn)出明顯的損傷。

因此鉆削順序為CFRP→Ti時，疊層界面鉆削應(yīng)力小、溫度低，入口界面損傷范圍較小，亦不存在嚴重的網(wǎng)格畸變，整體鉆孔質(zhì)量更佳。

4 結(jié)語

本文研究了CFRP/Ti疊層結(jié)構(gòu)的鉆削過程，應(yīng)用ABAQUS有限元仿真軟件在CFRP→Ti和Ti→CFRP兩種鉆削順序下進行了疊層鉆削仿真，分析了鉆削過程中的應(yīng)力、溫度分布及其變化趨勢，對比研究了兩種鉆削順序下的疊層界面質(zhì)量以及鉆孔成孔情況。

(1)兩種鉆削順序下的CFRP層受應(yīng)力影響范圍均較小，應(yīng)力值波動小，刀具頂部和孔壁上出現(xiàn)高峰；而鈦合金層在鉆削過程中受應(yīng)力影響范圍大，應(yīng)力值以孔的圓心為中心向外擴散遞減，極大值出現(xiàn)在孔壁外側(cè)。

(2)兩種鉆削順序下的鈦合金層溫度分布基本均勻，溫度區(qū)間維持在300℃～800℃；孔壁外側(cè)溫度急劇降低至環(huán)境溫度，且鉆削溫度分布無明顯差異。

(3)與Ti→CFRP鉆削順序相比，CFRP→Ti順序下的鉆削成孔直徑更接近刀具直徑，疊層界面應(yīng)力更小、溫度更低，界面損傷范圍小、損傷程度低，更加適合實際生產(chǎn)加工的需要。