王天宇 金成哲 邵雍博

（沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

碳纖維復(fù)合材料(carbon riber reinforced plastics，CFRP)由于其“輕質(zhì)高強(qiáng)”等優(yōu)良特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天等重要領(lǐng)域[1]。而碳纖維復(fù)合材料在生產(chǎn)過程中主要采用螺栓或鉚釘?shù)倪B接方式，因此裝配質(zhì)量受到鉆孔質(zhì)量的影響[2]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工質(zhì)量方面的研究日益增多。Tsao C[3]針對鉆削參數(shù)和鉆頭的幾何參數(shù)對于分層損傷的影響進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)通過增大進(jìn)給速度和鉆頭直徑會(huì)減輕分層損傷現(xiàn)象的出現(xiàn)。Gaitonde V N[4]通過對刀具的刃傾角方向研究，發(fā)現(xiàn)減小刃傾角，孔分層現(xiàn)象減小，能夠有效提高孔的加工質(zhì)量。孫鴻洋等[5]在復(fù)合材料切削機(jī)理的基礎(chǔ)之上，研究了不同切削角度對制孔表面質(zhì)量的影響。林盛坤等[6]選擇不同工藝用量和不同的刀具幾何參數(shù)，進(jìn)行鉆削碳纖維復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)，分析出口和入口側(cè)的撕裂分層影響，發(fā)現(xiàn)出口側(cè)的撕裂情況優(yōu)于入口側(cè)的撕裂，各因素對出、入口側(cè)撕裂的顯著性有所不同。李遠(yuǎn)霄等[7]采用高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削和超聲鉆削與普通鉆削CFRP/鈦合金復(fù)合材料進(jìn)行了研究，對比得出最佳的加工方式。王共冬等[8]使用 Memetic 算法對鋪層順序進(jìn)行計(jì)算，得出鋪層角度對制孔質(zhì)量的影響。賈振元等[9]建立了慮及纖維所受法向及切向約束，且兼慮樹脂及界面溫變特性的單纖維切削模型，為后續(xù)有關(guān)損傷抑制的研究提供理論依據(jù)。Onawumi P Y 等[10]選擇超聲振動(dòng)對鉆削CFRP/Ti 進(jìn)行輔助，得出超聲振動(dòng)可以減小切削力。Hussein R 等[11]選擇低頻振動(dòng)對鉆削CFRP/鈦合金疊層輔助，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于鉆削溫度降低，CFRP 的分層缺陷得到良好的解決。Jia Z[12]分析了切削速度，進(jìn)給量對CFRP/Ti 鉆孔質(zhì)量的影響規(guī)律，結(jié)果表明，鉆削臨界區(qū)域時(shí)，鉆削溫度達(dá)到峰值，鈦合金層的孔徑始終大于CFRP 層的孔徑，隨著主軸轉(zhuǎn)速升高分層損傷增大。

本文將通過鉆削加工仿真和鉆削試驗(yàn)兩種分析方法進(jìn)行對比驗(yàn)證，對鉆削碳纖維復(fù)合材料鉆孔質(zhì)量進(jìn)行研究，得出不同切削用量對鉆孔質(zhì)量的影響規(guī)律，為選擇鉆削碳纖維復(fù)合材料的切削用量提供參考依據(jù)。

1 鉆削T300 碳纖維復(fù)合材料仿真

1.1 鉆削仿真模型及方案

工件材料為T300 碳纖維復(fù)合材料，工件材料本構(gòu)模型選擇三維工程常數(shù)的材料本構(gòu)，損傷準(zhǔn)則為Hashion 準(zhǔn)則。刀具模型采用硬質(zhì)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。三維工程常數(shù)材料本構(gòu)模型參數(shù)如表3 所示，T300碳纖維復(fù)合材料的Hashin 損傷參數(shù)如表4 所示[13]。

表1 刀具物理性能參數(shù)表

表2 工件材料物理性能參數(shù)表

表3 三維工程常數(shù)材料本構(gòu)模型參數(shù)表

表4 T300 碳纖維復(fù)合材料的Hashin 損傷參數(shù)表

式中：E為楊氏模量，MPa；G為剪切模量，MPa；γ為泊松比；ε為應(yīng)變。

在這個(gè)三維工程常數(shù)柔度矩陣形式中，等號左側(cè)的部分表示應(yīng)變，等號右側(cè)分別表示柔度矩陣和應(yīng)力。其中E1、E2、E3分別表示3 個(gè)方向的楊氏模量，G12、G13、G23分別表示3 個(gè)方向的剪切模量，γ12、γ13、γ23分別表示3 個(gè)方向的泊松比。簡化為二維平面應(yīng)力正交各向異性材料本構(gòu)[14]為

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(jìn)行設(shè)定后，將工件刀具進(jìn)行裝配如圖1 所示，設(shè)置分析步，載荷設(shè)定，采用普通殼單元，四節(jié)點(diǎn)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(shè)置和鋪層設(shè)置如圖2 和圖3 所示，設(shè)置完成提交作業(yè)。

圖1 刀具與工件仿真裝配圖

圖2 工件網(wǎng)格劃分

圖3 工件鋪層

1.2 仿真結(jié)果及分析

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

圖4 T300 碳纖維復(fù)合材料鉆削應(yīng)力變化仿真圖

T300 碳纖維復(fù)合材料屬于脆性材料，具備各向異性，在進(jìn)行切削加工時(shí)，不同的切削角度會(huì)對鉆孔質(zhì)量造成影響。將切削速度方向與未切削層纖維方向所成的夾角定義為切削角θ，如圖5 所示。在鉆削過程中，假設(shè)纖維的排布方向一致，那么切削角度也會(huì)隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生改變，如圖6 所示。

圖5 切削角θ 的定義示意圖

圖6 鉆削過程中切削角示意圖

在鉆削過程中，不同的切削角對纖維的切削破壞機(jī)理不同。當(dāng)切削角為θ=0°，進(jìn)行切削時(shí)，切削刃起剝離作用，前刀面推開被剝離的纖維層，得到平整光滑的平面，如圖7a 所示。當(dāng)切削角θ=45°和θ=90°時(shí)，切削刃對纖維起屬于剪切作用，當(dāng)剪切應(yīng)力大于纖維本身的強(qiáng)度極限時(shí)其會(huì)被切削刃切斷，如圖7b 和c 所示。當(dāng)切削角θ=135°時(shí)，前刀面推擠纖維，使得纖維發(fā)生彎曲變形，當(dāng)?shù)毒呃^續(xù)向前擠推，纖維彎曲達(dá)到最大彎曲極限，纖維發(fā)生斷裂，被切削刃切除，如圖7d 所示。

圖7 不同切削角的切削示意圖

2 鉆削T300 碳纖維復(fù)合材料試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證仿真模型準(zhǔn)確合理性以及進(jìn)一步研究T300 碳纖維復(fù)合材料鉆孔質(zhì)量，進(jìn)行鉆削加工試驗(yàn)。試驗(yàn)工件材料選取T300 碳纖維復(fù)合材料的單向板，長度和寬度均為100 mm，厚度為6 mm，如圖8 所示；試驗(yàn)刀具選用外冷型整體硬質(zhì)合金麻花鉆如圖9 所示，其參數(shù)如表5 所示。

圖8 T300 碳纖維復(fù)合材料的單向板

圖9 整體硬質(zhì)合金麻花鉆

表5 外冷型整體硬質(zhì)合金麻花鉆參數(shù)

如圖10 所示為VMC850E 立式加工中心鉆削試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行鉆削試驗(yàn)時(shí)，使用專用夾具將工件固定在工作臺(tái)上，麻花鉆安裝到機(jī)床主軸上（如圖11 所示），采用表6 所示的正交試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行鉆削試驗(yàn)。

圖10 VMC850E 立式加工中心

圖11 鉆削試驗(yàn)現(xiàn)場

表6 鉆孔正交試驗(yàn)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

使用VHX-1000C 超景深三維顯微放大鏡（如圖12 所示）對將試驗(yàn)完成后的工件出口和入口處的破損及毛刺進(jìn)行測量，對采集的切屑進(jìn)行宏觀觀察。

圖12 VHX-1000C 超景深三維顯微放大鏡

2.2.1 鉆孔切屑及形成原因

由于碳纖維材料脆性強(qiáng)的特點(diǎn)，在切削CFRP過程中由于受到擠壓、拉伸、彎曲、剪切的作用，碳纖維發(fā)生脆性斷裂，形成粉末狀切屑。圖13 和圖14 分別為試驗(yàn)中采集切屑和仿真得到切屑樣態(tài)。（鉆削參數(shù)的選取為：鉆頭直徑為16 mm，切削速度為100 m/min，進(jìn)給量為0.05 mm/r。

圖13 試驗(yàn)采集的切屑

圖14 仿真得到切屑樣態(tài)

2.2.2 孔入、出口處加工狀況

根據(jù)正交試驗(yàn)所選參數(shù)鉆削加工得到的孔的出、入口處的加工狀況，如圖15 和圖16 所示。由于鉆頭鉆削出口位置時(shí)，軸向力大于待切削材料層間結(jié)合力，導(dǎo)致層合板彎曲變形出現(xiàn)毛刺甚至分層，鉆削質(zhì)量較差，使得孔的入口處加工質(zhì)量遠(yuǎn)好于出口處的加工質(zhì)量。

圖15 孔入口處毛刺損傷

圖16 孔出口處毛刺損傷

3 孔加工損傷類型的仿真和試驗(yàn)對比

對于T300 碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工，易產(chǎn)生毛刺、分層和孔壁損傷等加工缺陷。其中分層缺陷是最常見的缺陷之一。此外，在孔的出、入口處和孔壁的加工損傷會(huì)嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的抗破壞性。

3.1 分層損傷

分層損傷是T300 碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工最常見的破損形式之一，常出現(xiàn)在孔出、入口處，還有一部分出現(xiàn)在孔壁附近。選取鉆削參數(shù)為：鉆頭直徑d=16 mm、切削速度為vc=40 m/min、進(jìn)給量f=0.08 mm/r 的鉆削試驗(yàn)和仿真得到的分層現(xiàn)象進(jìn)行對比，分別如圖17 和圖18 所示。分層損傷主要原因是樹脂粘合層的粘度較小，對纖維層的粘著束縛力減少，在鉆孔時(shí)，鉆削軸向力大于層間粘著束縛力，材料層間出現(xiàn)分離，造成分層現(xiàn)象。除了鉆削軸向力，在鉆削時(shí)也會(huì)出現(xiàn)鉆頭與孔壁之間的摩擦，帶動(dòng)碳纖維層的旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

圖17 試驗(yàn)碳纖維復(fù)合材料鉆削分層現(xiàn)象

圖18 仿真碳纖維復(fù)合材料鉆削分層現(xiàn)象

3.2 毛刺和撕裂

毛刺和撕裂損傷形式較為明顯并且常見，主要出現(xiàn)在孔的出入口處，尤其在出口處較為常見。選取鉆削參數(shù)為：鉆頭直徑d=16 mm、切削速度為vc=100 m/min、進(jìn)給量f=0.05 mm/r 的試驗(yàn)與仿真進(jìn)行對比，如圖19 為毛刺和撕裂的試驗(yàn)結(jié)果，圖20為毛刺和撕裂的仿真結(jié)果。其產(chǎn)生原因?yàn)殂@削時(shí)由于在鉆削加工的過程，由于存在刀具的磨損，刀具切削刃的鋒利程度不斷降低以及轉(zhuǎn)速較低等原因不能完全將纖維切斷，這些纖維，隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)，被瞬間撕開，形成毛刺和撕裂。

圖19 毛刺和撕裂的試驗(yàn)結(jié)果

圖20 毛刺和撕裂的仿真結(jié)果

3.3 孔壁損傷

在鉆削碳纖維復(fù)合材料的過程中，除了分層損傷，撕裂和毛刺，孔壁處常會(huì)出現(xiàn)微裂紋，而纖維取向角的方式排列是造成孔壁損傷的主要原因。圖21 為鋪層方式全為0°和不同鋪層方式的孔壁損傷情況比較。圖22 為孔壁損傷仿真結(jié)果（選取為鉆削參數(shù)為：鉆頭直徑d=16 mm、切削速度為vc=70 m/min、進(jìn)給量f=0.05 mm/r）。在鉆孔過程中，如1.2 節(jié)所述，加工材料為同一種纖維取向角的方式排列，但由于鉆頭的切削方向發(fā)生變化，造成切削角度不同，導(dǎo)致同層孔壁的粗糙度不同，在同種鋪層方式的碳纖維復(fù)合材料板上，在切削角度為135°附近的孔壁損傷最為嚴(yán)重。而在采用不同鋪層角度纖維板的孔壁損傷較小。此外，高溫或者刀具磨損也會(huì)造成的孔壁損傷。

圖21 孔壁損傷的試驗(yàn)結(jié)果

圖22 孔壁損傷的仿真結(jié)果

4 孔的出入口撕裂程度及孔徑誤差分析

為對鉆孔出入口撕裂程度進(jìn)行分析，使用最大撕裂即出入口撕裂的最大值對其進(jìn)行表示，碳纖維復(fù)合材料鉆孔后的出入口的撕裂示意圖如圖23 所示，其中φL表示以鉆孔中心到最大撕裂為半徑為圓的直徑，φD為理想鉆削加工下孔的直徑，孔的最大撕裂值為最大撕裂值的直徑φL減理想加工情況下孔的直徑φD。

圖23 孔的最大撕裂示意圖

4.1 孔出口處最大撕裂值分析

在進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的鉆削試驗(yàn)后，利用顯微鏡觀察并測量出來出口處最大撕裂值，進(jìn)行極差分析，如表7 所示。由表7 可知，鉆削參數(shù)對出口處的最大撕裂值的影響程度為d＞vc＞f，即，鉆頭直徑對出口處的最大撕裂值的影響最大，切削速度次之，進(jìn)給量影響最小。當(dāng)鉆頭直徑選取4 mm、切削速度選取40 m/min 和進(jìn)給量選取0.02 mm/r 時(shí)為最佳鉆削參數(shù)。

4.2 孔入口處最大撕裂值分析

利用顯微鏡觀察并測量入口處最大撕裂的數(shù)值，記錄并作極差分析，如表8 所示。由表8 可知，鉆削參數(shù)對入口處的最大撕裂值的影響程度為d＞vc＞f，即鉆頭直徑對入口處的最大撕裂值的影響最大，切削速度次之，進(jìn)給量影響最小，當(dāng)鉆頭直徑選取4 mm、切削速度選取40 m/min 和進(jìn)給量選取0.02 mm/r 時(shí)為最佳鉆削參數(shù)。

表8 孔入口處最大撕裂值正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

4.3 孔徑尺寸誤差值分析

以同樣的方式，利用顯微鏡觀察并測量出孔徑尺寸，作極差分析，如表9 所示。由表9 可知，鉆削參數(shù)對孔徑尺寸誤差的影響程度為d＞f＞vc，即，鉆頭直徑對孔徑尺寸誤差的影響最大，進(jìn)給量次之，切削速度影響最小，當(dāng)鉆頭直徑選取4 mm、切削速度選取100 m/min 和進(jìn)給量選取0.02 mm/r 時(shí)為最佳鉆削參數(shù)。

表9 孔徑尺寸誤差正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

5 結(jié)語

（1）通過建立鉆削T300 碳纖維復(fù)合材料仿真模型，對鉆削軸向力進(jìn)行仿真，得到不同切削角度對鉆孔質(zhì)量的影響規(guī)律，切削角度為135°附近的孔壁損傷最為嚴(yán)重。在鉆削碳纖維復(fù)合材料過程中由于受到擠壓、拉伸、彎曲和剪切的作用，碳纖維發(fā)生脆性斷裂，形成粉末狀切屑。

（2）通過T300 碳纖維復(fù)合材料的鉆削仿真和試驗(yàn)結(jié)果分析，表明鉆孔過程中易產(chǎn)生毛刺、分層和孔壁損傷等加工缺陷，孔出口處撕裂缺陷遠(yuǎn)大于孔入口處缺陷，即入口鉆削質(zhì)量要好于出口鉆削質(zhì)量。

（3）鉆削參數(shù)中對孔出口處撕裂值影響程度最大的是鉆頭直徑，切削速度次之，進(jìn)給量影響最??；對孔入口處撕裂值影響程度最大的是鉆頭直徑，切削速度次之，進(jìn)給量影響最小。而對孔徑尺寸誤差值影響程度最大的是鉆頭直徑，進(jìn)給量次之，切削速度影響最小。