碳纖維增強復合材料鉆削軸向力的研究

王天宇，金成哲，邵雍博

(沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽 110159)

1 引言

碳纖維增強復合材料CFRP(carbon riber reinforced plastics)是以樹脂為基體、碳纖維為增強體的新型工程材料，具有強度高、熱穩(wěn)定性好、比熱容高、熱膨脹系數(shù)小等特點，已廣泛應用于航空航天，軍工產(chǎn)品等領域。但由于纖維材料層間強度低，具有復雜的各向異性，容易發(fā)生破壞，而鉆削碳纖維增強復合材料產(chǎn)生的軸向力是引起加工損傷的主要因素[1]。

目前，國內外學者對碳纖維增強復合材料鉆削軸向力方面的研究日益增多。劉洋等[2]通過雙鋒角鉆頭鉆削CFRP試驗，得到軸向力變化規(guī)律。孟慶勛[3]采用鉆削比功率對局部微元力進行經(jīng)驗表示，建立了鉆削比功率與軸向力之間的關系。李遠霄等[4]采用高低頻復合振動鉆削和超聲鉆削與普通鉆削CFRP/鈦合金復合材料進行了研究，對比得出最佳的加工方式。陳曉川[5]利用有限元軟件建立模型研究了碳纖維經(jīng)編針織復合材料的鉆削加工過程，得到Z向軸向力的變化規(guī)律。姚琦威等[6]應用單因素法進行了低頻振動鉆削疊層材料試驗，研究了刀具角度對鉆削軸向力的影響，得出鉆頭頂角隨軸向力增大而增大的結論。于海夫[7]建立了CFRP/鋁合金疊層結構制孔軸向力分階段預測模型，通過疊層結構制孔試驗，測量并驗證了軸向力，實現(xiàn)了疊層結構制孔時軸向力的有效預測。Phadnis與Isbilir等[8-9]利用仿真軟件建立了鉆削模型，研究鉆削參數(shù)造成對軸向力和分層缺陷的影響。孫鴻洋等[10]結合不同的纖維切削角時復材切削機理，研究了不同纖維切削角對制孔表面影響層厚度的影響規(guī)律。劉書暖[11]基于帕累托占優(yōu)原理構建了帕累托最優(yōu)工藝參數(shù)集窮舉搜索算法，以T700-TDE85/Ti- 6Al- 4V疊層構件為對象，得到了最優(yōu)工藝參數(shù)。南成根[12]設計正交試驗分析了鈦合金切屑和切削參數(shù)對CFRP層鉆孔質量的影響，觀察了軸向切削力和力矩的變化以及鈦合金切屑形態(tài)，分析CFRP層孔徑超差和入口撕裂的機理。本文中通過鉆削加工仿真和鉆削試驗2種分析方法進行對比驗證，對鉆削碳纖維復合材料軸向力進行研究，得出不同鉆削參數(shù)對軸向力的影響規(guī)律，為選擇鉆削碳纖維增強復合材料的鉆削參數(shù)提供參考依據(jù)。

2 鉆削碳纖維增強復合材料的仿真

2.1 鉆削仿真模型及方案

工件材料為T300碳纖維增強復合材料，工件材料本構模型選擇三維工程常數(shù)的材料本構，損傷準則為Hashion準則。刀具模型采用硬質合金刀具，螺旋角均為β=30°，頂角φ=140°，直徑分別為：d=4 mm，d=10 mm，d=16 mm。刀具材料物理性能參數(shù)如表1所示，工件材料物理性能參數(shù)如表2所示。CFRP材料本構模型參數(shù)如表3所示，CFRP的Hashin損傷參數(shù)如表4所示。

表1 刀具物理性能參數(shù)Table 1 Tool physical performance parameters

表2 CFRP物理性能參數(shù)Table 2 CFRP performance parameters of each phase

表3 CFRP的三維工程常數(shù)材料本構模型參數(shù)Table 3 CFRP three-dimensional engineering constant material constitutive model parameters

表4 CFRP的Hashin損傷參數(shù)Table 4 CFRP Hashin damage parameters

三維工程常數(shù)(Engineering constants)表達式如式(1)

(1)

式中：E為楊氏模量，MPa；G為剪切模量，MPa；ν為泊松比；ε為應變。

在這個三維工程常數(shù)柔度矩陣形式中，等號左側的部分表示應變，等號右側分別表示柔度矩陣和應力。其中E1、E2、E3分別表示3個方向的楊氏模量，G12、G13、G23分別表示3個方向的剪切模量，ν12、ν13、ν23分別表示3個方向的泊松比。簡化為二維平面應力正交各向異性材料本構，如式(2)所示。

(2)

工件尺寸為100 mm×100 mm,每層0.25 mm，共8層,采用0°/90°/45°/-45°/-45°/45°/90°/0°鋪層方式,將上述材料屬性進行設定后，將工件刀具進行裝配如圖1所示，設置分析步，載荷設定，采用普通殼單元，四節(jié)點縮減積分并帶沙漏控制(S4R)六面體網(wǎng)格劃分。工件網(wǎng)格設置和鋪層設置如圖2和圖3所示，設置完成提交作業(yè)。

圖1 刀具與工件仿真裝配圖Fig.1 Tool and workpiece simulation assembly diagram

圖2 工件網(wǎng)格劃分Fig.2 Workpiece meshing

圖3 工件鋪層Fig.3 Workpiece layup

應用正交試驗法進行仿真試驗，能夠有效減少試驗次數(shù)，且所得結論準確可靠。采用3個因素水平，鉆頭直徑d，切削速度vc，進給量f，設計正交試驗表，如表5所示。

表5 正交試驗表Table 5 Orthogonal experiment table

2.2 仿真結果及分析

如圖4為鉆削T300碳纖維復合材料時鉆削應力變化仿真圖，可以看出，從時間t=0 s到t=0.9 s時應力的分布范圍隨時間增長而逐漸擴大，因為隨著鉆頭的下壓，壓力越來越大所以應力的范圍越來越大。而從1.2 s之后隨時間的增長而應力的面積逐漸縮小，因為隨著鉆頭的鉆入，去除材料的材料越來越多，所以應力的分布面積就越來越少。因此在鉆削碳纖維復合材料的過程不僅僅是鉆頭的推力導致的彈性形變，還有鉆頭的剪切作用。

圖4 T300碳纖維復合材料鉆削應力變化仿真圖Fig.4 Simulation diagram of drilling stress change of T300 carbon fiber composite materials

鉆削軸向力是鉆削碳纖維增強復合材料過程中重要的物理量之一，它能夠反映被鉆削材料的切削狀態(tài)，受力分布和切削穩(wěn)定性等信息。在鉆孔加工過程中，由于鉆削力和鉆削熱的共同作用，孔口處經(jīng)常出現(xiàn)起毛、撕裂、分層等缺陷。因此在鉆削碳纖維增強復合材料的試驗中，研究軸向力的變化規(guī)律有很大的意義，減小軸向力是減小甚至避免碳纖維增強復合材料鉆削加工中形成的抽絲、毛邊、分層、撕裂等缺陷的關鍵。鉆削過程中的受力分析如圖5所示，在刀具的正前角部分，加工材料受到切削刃上沿速度方向的力Fv1和沿Z軸豎直向上的力Fz1，F(xiàn)z1使材料向上翹起，F(xiàn)v1主要切削材料作用。加工材料受到切削刃上沿速度方向的作用力Fv2和沿Z軸豎直向下的力Fz2，F(xiàn)v2主要切削材料作用，F(xiàn)z2在Fv2作用下，將材料進行擠壓，當達到碳纖維的壓縮極限時，材料發(fā)生崩碎。由于Fv2靠近鉆心，故其切削力很小，可忽略不計。其中Fz2是引起剝離、分層、撕裂等缺陷的主要原因之一。所以重點研究沿Z軸豎直方向的力Fz2。

圖5 鉆削過程二維示意圖Fig.5 Two-dimensional schematic diagram of drilling process

通過三維仿真得到鉆削T300碳纖維增強復合材料軸向力，對數(shù)據(jù)進行整理分析得到仿真試驗結果。對仿真軸向力試驗結果進行極差分析，如表6所示，得到鉆削參數(shù)對軸向力的影響程度為d>f>vc，即鉆頭直徑大小對軸向力影響最大，進給量次之，切削速度影響最小。

表6 鉆削仿真結果和極差分析表Table 6 Simulation results of drilling and range analysis

3 鉆削加工試驗

3.1 鉆削試驗方案

為檢驗上述有限元仿真模型的準確合理性，進行鉆削T300型碳纖維復合材料的切削試驗。鉆削試驗設備為VMC850E立式加工中心，如圖6(a)所示。工件材料為T300型碳纖維復合材料的單向板，工件長度和寬度均為100 mm，厚度為6 mm，選用鋪層方式分別是全為0°和0°/45°/90°/135°的2種鋪層方式復合材料板。選用Kistler 9123C型旋轉測力儀作為鉆削軸向力的采集設備(如圖6(b)所示)。

圖6 鉆削加工試驗設備與儀器Fig.6 Drilling processing test equipment and instruments

試驗刀具選用外冷型整體硬質合金麻花鉆，麻花鉆參數(shù)如表7所示。

表7 外冷型整體硬質合金麻花鉆參數(shù)Table 7 External cooling solid carbide twist drill parameters

在進行鉆削加工試驗時，使用專用夾具將工件固定在工作臺上，麻花鉆安裝到機床主軸上，旋轉測力儀的轉子安裝在主軸的外側，將測點的電信號通過電荷放大器和數(shù)據(jù)采集卡與計算機相連，再進行數(shù)據(jù)處理和顯示，如圖7所示為鉆削軸向力采集系統(tǒng)。

圖7 鉆削軸向力采集系統(tǒng)Fig.7 Drilling axial force acquisition system

3.2 鉆削試驗結果與分析

采用正交試驗法(正交試驗表如表5所示)，通過鉆削T300碳纖維增強復合材料試驗，經(jīng)過軟件濾波和去漂移處理后得到軸向力的試驗結果如圖8所示，可以看出鉆削軸向力Fz遠大于其他兩個方向的切削力Fx和Fy，故重點研究沿Z軸豎直方向的軸向力Fz2。

圖8 鉆削T300碳纖維增強復合材料的切削力試驗結果Fig.8 Cutting force test results of drilling T300 carbon fiber reinforced plastics

對試驗結果進行極差分析(如表8所示)，得到鉆削參數(shù)對軸向力的影響程度為d>f>vc，即，鉆頭直徑對軸向力影響最大，進給量次之，切削速度影響最小，當鉆頭直徑為d=4 mm，切削速度vc=40 m·min-1，進給量f= 0.02 mm·r-1時為最佳鉆削參數(shù)。

表8 鉆削試驗結果和極差分析Table 8 Test results of drilling and range analysis

鉆削碳纖維增強復合材料的仿真和試驗結果存在一定的誤差，平均誤差為4.16%。其主要原因：一方面，由于建立切削仿真模型時假定了一些工藝條件，仿真過程理想化。另一方面，在鉆削碳纖維增強復合材料試驗過程中，由于機床的振動，主軸轉速的誤差以及測試儀器精度誤差等多種因素綜合作用，造成了試驗結果和仿真結果的誤差。通過對仿真和試驗結果的極差分析，可以看出鉆削參數(shù)對軸向力的影響程度順序是一致的，證明所建立的鉆削仿真模型是準確和合理可靠的，具有可行性。

4 鉆削參數(shù)對鉆削軸向力的影響

4.1 鉆頭直徑對軸向力的影響

基于上述鉆削碳纖維增強復合材料的切削仿真模型，選取切削速度為40 m·min-1，進給量為0.08 mm·r-1，鉆頭直徑分別選取4 mm、10 mm、16 mm、22 mm，采用單因素法進行試驗。對測得鉆削軸向力進行統(tǒng)計分析得到軸向力與鉆頭直徑之間的變化曲線，如圖9所示。

圖9 鉆頭直徑對鉆削軸向力的影響趨勢Fig.9 The influence of drilling axial force corresponding to different drill diameters

由圖9所示的不同鉆頭直徑進行試驗對應鉆削軸向力的數(shù)據(jù)折線圖可以看出，隨著鉆頭直徑的增大，軸向力增大。當鉆頭直徑d=4 mm時，此時軸向力最小，F(xiàn)=71.46 N；當鉆頭直徑d=22 mm時，此時軸向力最大，F(xiàn)=342.31 N。主要原因是鉆頭直徑的增加鉆頭的橫刃也會隨之增長，橫刃對于碳纖維層合板的擠壓隨之增加。若選取大直徑鉆頭進行鉆削加工，切削刃的切削面積將隨之增大，由切削理論可知，切削力與切削面積成正比，因此，隨鉆頭直徑增大，鉆削軸向力也增大。

4.2 進給量對軸向力的影響

基于上述鉆削碳纖維增強復合材料的切削仿真模型，選取鉆頭直徑d=4 mm，切削速度vc=40 m·min-1，進給量分別選取f=0.02 mm·r-1、f=0.05 mm·r-1、f=0.08 mm·r-1、f=0.11 mm·r-1，采用單因素法進行試驗。對測得鉆削軸向力進行統(tǒng)計分析得到軸向力與進給量之間的變化曲線，如圖10所示。

圖10 進給量對鉆削軸向力的影響趨勢Fig.10 The influence of feed rate on drilling axial force

由圖10所示的不同進給量進行試驗對應鉆削軸向力的數(shù)據(jù)折線圖可以看出，隨著進給量的增大，軸向力增大。當進給量f=0.02 mm·r-1時，此時軸向力最小，F(xiàn)=71.46 N；當進給量f=0.11 mm·r-1時，此時軸向力最大，F(xiàn)=101.73 N。其主要原因是進給量增大，鉆頭向下的距離變大，鉆頭施加給被加工工件上的力變大。在單位時間內鉆頭與工件的接觸面積變大，摩擦力變大，因此鉆削軸向力變大。

5 結論

1) 通過建立鉆削碳纖維增強復合材料仿真模型，對鉆削軸向力進行仿真，并對仿真結果進行極差分析，鉆削參數(shù)對鉆削軸向力的影響順序依次為鉆頭直徑、進給量和切削速度。

2) 利用試驗的數(shù)據(jù)與仿真的數(shù)據(jù)進行對比，得出試驗的數(shù)據(jù)與仿真的數(shù)據(jù)的誤差，證明仿真的數(shù)據(jù)合理性。驗證仿真模型是合理正確的，具有可行性。

3) 應用驗證的鉆削加工仿真模型，進行鉆削軸向力的切削試驗，得出進給量與鉆削軸向力成正比，相比于切削速度，進給量影響更大。在進行鉆削同等孔徑碳纖維增強復合材料時，可以通過選擇減小進給量的方式，來提高鉆削加工質量。