王明海 孫國強(qiáng) 孫 越

(沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110136)

碳纖維復(fù)合材料，即 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)，在航空航天、兵器工業(yè)、機(jī)械設(shè)備以及交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣。在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域中不可避免的要進(jìn)行大量的制孔加工。復(fù)合材料的制孔過程中會(huì)遇到諸多難題，如在孔的入口處出現(xiàn)毛刺以及出口處出現(xiàn)分層甚至撕裂。

表1 碳纖維復(fù)合材料的材料參數(shù)

為了應(yīng)對(duì)碳纖維復(fù)合材料孔加工中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者為改善鉆削加工質(zhì)量，提出改進(jìn)鉆頭幾何參數(shù)的方法并進(jìn)行了相應(yīng)的研究。Piquet等［1］研究發(fā)現(xiàn)增加切削刃的數(shù)量并減小橫刃長(zhǎng)度可有效減少材料出口分層情況的出現(xiàn)。文獻(xiàn)［2－4］分別對(duì)不同鉆型加工復(fù)合材料的出口質(zhì)量進(jìn)行了研究。為了研究切削參數(shù)以及刀具幾何角度對(duì)復(fù)合材料制孔加工質(zhì)量的影響，借助有限元分析的方法對(duì)鉆削加工過程進(jìn)行模擬研究。

通常用來評(píng)價(jià)材料破壞程度的指標(biāo)是分層因子，引起分層破壞的最主要的因素是來自鉆削軸向力［5－7］，軸向力的大小直接影響材料破壞程度。本文針對(duì)鉆頭幾何角度對(duì)鉆削軸向力的影響，對(duì)小角度螺旋槽鉆頭以及麻花鉆加工碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行仿真對(duì)比，分別從鉆削軸向力和加工質(zhì)量?jī)煞矫孢M(jìn)行了研究。

1 材料斷裂準(zhǔn)則

復(fù)合材料的破壞形式通常包含以下3種:纖維的斷裂、基體開裂以及分層。前兩種被稱為層內(nèi)損傷，最后一種被稱為層間損傷。纖維的斷裂主要是由刀具在鉆削加工的過程中產(chǎn)生的橫向應(yīng)力大于纖維固有的抗剪強(qiáng)度所致，而基體開裂是由于鉆削力以及鉆削熱的作用。通常，基體開裂是最先發(fā)生的失效形式。分層損傷是由于當(dāng)?shù)毒呒庸さ讲牧献詈髱讓訒r(shí)，軸向力大于層間結(jié)合力所致。

為實(shí)現(xiàn)有限元方法模擬碳纖維復(fù)合材料的鉆削過程，利用 Hashin損傷起裂準(zhǔn)則［8－9］來進(jìn)行計(jì)算。

Hashin損傷起裂準(zhǔn)則有以下4種形式，即纖維拉伸、纖維壓縮、基體拉伸和基體壓縮。

纖維拉伸(≥0)及纖維壓縮(＜0)失效因子由下式給出:

基體拉伸(≥0)及基體壓縮(＜0)失效因子由下式給出:

式中:σ為名義應(yīng)力，M為損傷作用算子。

df、ds和dm為內(nèi)損傷變量，用來描述纖維損傷、基體損傷以及剪切損傷，其取值由損傷變量決定:

2 有限元模型的建立

鉆削力預(yù)測(cè)模型主要研究的是不同刀具幾何角度對(duì)鉆削軸向力和加工出口質(zhì)量的影響。通過有限元分析軟件來進(jìn)行鉆削過程的仿真。工件使用殼體單元，單元類型為S4R，材料參數(shù)如表1所示。

鉆頭模型均由三維建模軟件繪制，并導(dǎo)入到有限元分析軟件中，兩種刀具的直徑均為6 mm。圖1為麻花鉆和小角度螺旋槽鉆頭的分析模型。在分析過程中將刀具類型設(shè)置為離散剛體，單元類型均為R3D3。小角度螺旋槽鉆頭頂角83°，螺旋角10°。圖2為麻花鉆和小角度螺旋槽鉆頭的實(shí)體圖。劃分網(wǎng)格時(shí)在刀具與工件材料接觸的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，以達(dá)到優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的目的。

工件的邊界條件為四條邊全部固定，各方向自由度為零，同時(shí)賦予刀具Z軸方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。分析結(jié)果輸出工件表面所受由刀具擠壓所引起的軸向力。

3 仿真過程及結(jié)果分析

有限元分析預(yù)測(cè)試驗(yàn)選取不同切削參數(shù)進(jìn)行仿真。主軸轉(zhuǎn)速采用2 500、3 500、4 500 r/min，進(jìn)給速度依次為 15、25、40、55、70 mm/min。如圖 3 為鉆削加工有限元分析過程。

3.1 軸向力的對(duì)比與分析

圖4為進(jìn)給速度對(duì)兩種鉆頭產(chǎn)生的軸向力對(duì)比圖。由該圖可以看出，隨著進(jìn)給速度的增大，最大軸向力也相應(yīng)增大，此現(xiàn)象在麻花鉆的仿真過程中尤為明顯。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2 500 r/min、進(jìn)給速度為70 mm/min時(shí)，麻花鉆的最大軸向力為相同主軸轉(zhuǎn)速下15 mm/min時(shí)的兩倍。主軸轉(zhuǎn)速為3 500 r/min和4 500 r/min時(shí)軸向力依然呈現(xiàn)隨進(jìn)給速度增大而增大的現(xiàn)象。并且麻花鉆頭的最大軸向力大于小角度螺旋槽鉆頭產(chǎn)生的最大軸向力。小角度螺旋槽鉆頭的最大軸向力受進(jìn)給速度影響小于麻花鉆頭，說明該鉆頭在對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行制孔加工時(shí)加工質(zhì)量容易保證。

如圖4，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高時(shí)，軸向力整體呈減小趨勢(shì)，即主軸轉(zhuǎn)速越高軸向力越小。主軸轉(zhuǎn)速對(duì)麻花鉆的影響大于小角度螺旋槽鉆頭，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速由2 500 r/min提高到4 500 r/min時(shí)麻花鉆的軸向力明顯減小，小角度螺旋槽鉆頭的軸向力隨主軸轉(zhuǎn)速的提高而減小，但是效果并沒有麻花鉆頭顯著。對(duì)于麻花鉆頭，采用2 500 r/min的主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，在40 mm/min到70 mm/min進(jìn)給速度區(qū)間中軸向力增長(zhǎng)幅度很大;采用4 500 r/min時(shí)，在相同的進(jìn)給速度區(qū)間內(nèi)軸向力增長(zhǎng)幅度變小。對(duì)于小角度螺旋槽鉆頭，采用2 500 r/min的主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，軸向力受進(jìn)給速度增大的影響明顯;采用4 500 r/min時(shí)，軸向力隨進(jìn)給速度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的趨勢(shì)放緩。說明隨著主軸轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)，進(jìn)給速度對(duì)軸向力的影響變小;主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向力的影響大于進(jìn)給速度。在鉆削加工過程中小角度螺旋槽鉆頭受工藝參數(shù)變化的影響較小，提高轉(zhuǎn)速減小進(jìn)給速度有助于加工質(zhì)量的改善。

3.2 加工質(zhì)量的對(duì)比與分析

圖5為兩種刀具在主軸轉(zhuǎn)速4 500 r/min、進(jìn)給速度40 mm/min時(shí)的鉆削出口質(zhì)量對(duì)比圖，圖6為相同參數(shù)下的軸向力對(duì)比圖。以破壞區(qū)域大小作為衡量加工質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)比兩種鉆頭的出口質(zhì)量，看出麻花鉆頭的破壞區(qū)域大于小角度螺旋槽鉆頭產(chǎn)生的破壞區(qū)域，加工質(zhì)量較差。根據(jù)圖6可以看出兩者的軸向力分別為麻花鉆163 N，小角度螺旋槽鉆頭84.8 N，麻花鉆產(chǎn)生的軸向力約等于小角度螺旋槽鉆頭的兩倍，加工質(zhì)量相差很大，說明軸向力越大加工質(zhì)量越差。由圖5a可以看出采用麻花鉆對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行加工時(shí)，出口處加工質(zhì)量難以保證，破壞現(xiàn)象明顯;圖5b為小角度螺旋槽鉆頭的加工出口質(zhì)量仿真結(jié)果圖，在采用小角度螺旋槽鉆頭時(shí)，加工質(zhì)量明顯優(yōu)于麻花鉆，破壞明顯減少，出口處呈規(guī)則圓形，又由圖6可知該鉆頭產(chǎn)生的軸向力較小，更適于復(fù)合材料的制孔加工。

4 結(jié)語

本文就鉆削力和鉆削出口質(zhì)量的對(duì)比分析可以得到以下結(jié)論:

(1)在碳纖維復(fù)合材料的制孔加工中主軸轉(zhuǎn)速對(duì)加工質(zhì)量的影響大于進(jìn)給速度。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大鉆削軸向力減小，同時(shí)也減弱進(jìn)給速度對(duì)軸向力的影響。提高鉆頭轉(zhuǎn)速有利于減小鉆削軸向力，減少加工缺陷。

(2)進(jìn)給速度對(duì)軸向力的影響較大，隨著進(jìn)給速度的增大軸向力也相應(yīng)增大。采用較小的進(jìn)給速度可有效減小鉆削軸向力，提高制孔加工質(zhì)量。

(3)鉆頭幾何角度對(duì)碳纖維復(fù)合材料的加工質(zhì)量影響很大，相同加工條件下小角度螺旋槽鉆頭加工碳纖維復(fù)合材料時(shí)產(chǎn)生的最大軸向力小于普通麻花鉆頭，破壞面積小，加工質(zhì)量較好，更適于碳纖維復(fù)合材料的制孔加工。

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