黃文亮 李鵬南 邱新義 許 磊 牛秋林

（湖南科技大學機電工程學院，湘潭 411201）

0 引言

近年來，CFRP廣泛應用于航空航天、汽車和體育用品等領域［1］。鉆削加工是CFRP的主要切削加工形式之一，由于CFRP的加工機理不同于普通的均勻材料或各向同性的金屬材料，鉆削形成的損傷（如基體開裂、分層和纖維斷裂）使得鉆削后材料的強度和抗疲勞性大幅降低［2－3］，因此 CFRP的傳統(tǒng)鉆削一直是個難題。聲發(fā)射（Acoustic Emission）通過接收和分析材料的聲發(fā)射信號，評定材料性能和結構完整性，因此利用聲發(fā)射技術可以有效地檢測出CFRP的內部缺陷及損傷類型［4］。針對聲發(fā)射技術在檢測CFRP損傷方面，國內外學者做了大量的實驗研究。王新剛、陽能軍等［5］應用聲發(fā)射技術對T700環(huán)氧樹脂基復合材料拉伸損傷過程進行監(jiān)測，結果表明，材料加載初期的破壞主要是基體與界面損傷，后期主要是碳纖維損傷，且拉伸過程中聲發(fā)射信號重復性很強，存在峰值和“平靜期”。王兵等［6］利用聲發(fā)射技術對典型的碳／環(huán)氧CFRP的Ⅰ／Ⅱ混合模式分層行為和層間斷裂韌性進行實驗研究，結果表明，碳纖維鋪層在損傷與斷裂不同階段所釋放的聲發(fā)射信號特征不同。陶進等［7］對碳纖維復合芯損傷進行了聲發(fā)射信號研究。結果表明，不同應力損傷與聲發(fā)射信號功率譜頻率之間有一定的對應關系，而樹脂基體斷裂和碳纖維斷裂兩種不同缺陷的聲發(fā)射信號有明顯的區(qū)別。 N.Z.Karimi等［8］對 CFRP 鉆削進行了聲發(fā)射信號研究，提出了一種識別不同損傷機制所發(fā)出的信號的方法。結果表明，把鉆削過程分為三個主要階段，即鉆入階段、鉆削階段和鉆出階段，通過非監(jiān)督的模式識別分析可以識別每個階段最活躍的損傷機制。 T.H.Loutas和 DeGroot等［9］研究學者應用快速傅里葉變換和小波對復合材料拉伸斷裂過程中產生的聲發(fā)射信號進行分析，得到每個頻段上信號的能量分布以及各種損傷類型所對應信號的頻譜分布。目前聲發(fā)射技術在CFRP鉆削過程中損傷檢測的應用還處于起步階段，本文根據(jù)CFRP鉆削過程中的缺陷產生機理，分析了普通麻花鉆在不同鉆削參數(shù)下的聲發(fā)射信號，并通過分析對比不同參數(shù)下的聲發(fā)射信號，對入口處撕裂和出口處撕裂的聲發(fā)射信號進行了有效的識別，最后分析了鉆削參數(shù)對聲發(fā)射信號的影響。

1 實驗

1.1 材料及設備

鉆削實驗在四川長征機床集團生產的四軸三聯(lián)動立式加工中心KVC800上進行，實驗采用Kistler公司生產的8152B221、8152B121壓電聲發(fā)射傳感器、5125B放大器、GL1100數(shù)據(jù)采集儀。如圖1所示聲發(fā)射傳感器用螺栓安裝在CFRP的待加工表面上，選擇采樣頻率為1 MHz。實驗還采用超景深三維顯微系統(tǒng)（KEYENCE VHX－500FE）對孔形貌進行觀察，放大倍率為20～5 000倍，能夠觀察和準確測量孔出入口處的撕裂情況。

圖1 聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)Fig.1 Acoustic emission signal acquisition system

T700碳纖維／LT－03A環(huán)氧復合材料層合板（300 mm×200 mm×5 mm），無錫威盛新材料科技有限公司，鋪層形式為：40 層［0／45／90／－45／0／45／90／－45／0／45／90／－45］s；YG6X 麻花鉆，特萊隆刀具廠生產，直徑為 6 mm，橫刃長度為 0.6 mm，螺旋角為 30°，頂角為 118°。

1.2 方法

鉆削實驗采用全因素實驗，主軸轉速為n＝1 500、2 500、3 500、4 500 r／min，進給量為 f＝ 0.05、0.10、0.15、0.20 mm／r；每組參數(shù)進行兩次，結果取兩次實驗的平均值。

2 結果與分析

2.1 聲發(fā)射信號分析

由聲發(fā)射傳感器等硬件裝置采集得到了兩路信號，即濾波后的聲發(fā)射信號和聲發(fā)射信號的有效值電壓（RMS），主要討論各個加工參數(shù)與聲發(fā)射信號RMS的關系（圖2）。主要分析主軸轉速恒為n＝1 500 r／min的聲發(fā)射信號RMS。鉆削過程的聲發(fā)射信號RMS響應可以分為鉆入、鉆削及鉆出時3個階段。從圖2可以看出噪聲與實驗信號有明顯區(qū)別。鉆入階段為橫刃開始接觸材料直至鉆尖完全鉆入材料，此階段內聲RMS響應曲線開始爬升；在鉆削階段內信號相對比較平穩(wěn)；鉆出階段為鉆尖位于材料下部直至鉆尖完全鉆出。在鉆削階段和鉆出階段信號有明顯的突變，這種現(xiàn)象可能是由于層間損傷引起的。

圖 2 n＝1 500 r／min，f＝0.2 mm／r的 RMSFig.2 Acoustic emission signal（n＝ 1500r／min，f＝0.2mm／r）

圖3 為進給量為0.1 mm／r的鉆削聲發(fā)射信號，圖2與圖3對比可以發(fā)現(xiàn)進給量為0.2 mm／r時鉆入階段起始處（t＝0.04 s處）有明顯的信號突變，信號峰值明顯增大。圖4將兩組參數(shù)下鉆入階段起始處的RMS響應曲線放大，可以發(fā)現(xiàn)突變更為明顯。由圖4（a）可以看出進給量為0.1 mm／r的鉆削 RMS峰值為0.85 V，信號比較平穩(wěn)。由圖4（b）可以看出進給量為0.2 mm／r的鉆削正常信號的RMS峰值也為0.85 V，但是突變信號最大值達到了 0.98 V，增大了16.5%，經分析判斷這一突變是由于入口撕裂引起的。 對進給量為0.1和0.2 mm／r的孔進行觀察，入口處撕裂情況如圖5所示，由圖5（a）可以看出進給量為0.1 mm／r的孔無入口撕裂，入口質量好。由圖5（b）可以看出進給量為0.2 mm／r的孔有兩處入口撕裂，撕裂因子為 1.51，正好對應著進給量為 0.1 mm／r的鉆入階段起始處聲發(fā)射信號無突變，進給量為0.2 mm／r的鉆入階段起始處聲發(fā)射信號有明顯突變，說明當鉆削CFRP時，入口發(fā)生撕裂，則相對應的聲發(fā)射信號將產生突變。

圖 3 n＝1 500 r／min，f＝0.1 mm／r的聲發(fā)射信號Fig.3 Acoustic emission signal（n＝1500r／min，f＝0.1mm／r）

圖4 n＝1 500 r／min的鉆入階段起始處RMSFig.4 Acoustic emission signal of the entrance at the initial stage（n＝1500 r／min）

圖5 n＝1 500 r／min孔的入口形貌 30×Fig.5 Entrance morphology of hole under n＝1500 r／min

同樣，經對比可以發(fā)現(xiàn)進給量為0.2 mm／r是鉆出階段末尾處（t＝1.33 s處）有明顯的信號突變，信號峰值明顯增大。圖6將聲發(fā)射信號RMS響應曲線放大，可以發(fā)現(xiàn)突變更為明顯。由圖6（a）可以看出進給量為0.1 mm／r的鉆削聲發(fā)射信號峰值為0.90 V，信號比較平穩(wěn)。由圖6（b）可以看出進給量為0.2 mm／r的鉆削聲發(fā)射信號正常信號的RMS值為1.00 V，而突變信號最大值達到了1.20 V，增大了20%，經分析判斷這一突變是由于出口撕裂引起的。觀察出口處撕裂情況如圖7所示，由圖7（a）可以看出進給量為0.1 mm／r的孔無出口撕裂，出口質量好。由圖7（b）可以看出進給量為0.2 mm／r的孔有一處出口撕裂，還有少量毛刺和啃邊，撕裂因子為1.18，正好對應著進給量為0.1 mm／r的鉆出階段末尾處聲發(fā)射信號無突變，進給量為0.2 mm／r的鉆出階段末尾處聲發(fā)射信號有明顯突變，說明當鉆削CFRP時，出口發(fā)生撕裂，則相對應的聲發(fā)射信號將產生突變。因此，在鉆削過程中，入口處和出口處撕裂會引起聲發(fā)射信號的突變，通過分析聲發(fā)射信號能夠對撕裂信號進行有效的識別。

圖6 n＝1 500 r／min的鉆出階段末尾處聲發(fā)射信號Fig.6 Acoustic emission signal of the exit at the end（n＝1500r／min）

圖7 n＝1 500 r／min孔的出口形貌 30×Fig.7 Exit morphology of hole undern＝1500r／min

2.2 鉆削參數(shù)對聲發(fā)射信號的影響

在鉆削過程中，碳纖維在刀具切削刃的作用下發(fā)生的斷裂、基體的開裂、分層損傷以及鉆頭與孔壁的摩擦都會釋放的聲發(fā)射能量。因而影響聲發(fā)射信號的因素有很多，包括鉆削參數(shù)、工件材料特性及刀具磨損等。因此，研究鉆削參數(shù)（主軸轉速、進給量）對聲發(fā)射信號的影響，能夠揭示鉆削過程聲發(fā)射信號的規(guī)律，以及鉆削參數(shù)與聲發(fā)射信號的關系。研究鉆削參數(shù)對聲發(fā)射信號的影響時，取鉆削階段的聲發(fā)射信號有效值電壓（RMS）的平均值作為分析對象（圖8）。

圖 8 n＝1 500 r／min，f＝0.1 mm／r的聲發(fā)射信號Fig.8 Acoustic emission signal（n＝1500r／min，f＝0.1mm／r）

圖9 為在不同主軸轉速下，AE－RMS隨進給量的變化而變化的曲線圖，可知AE－RMS的大小與進給量和主軸轉速有著很好的對應關系。

圖9 主軸轉速、進給量與鉆削階段AE－RMS平均值的關系Fig.9 Relationship between rotating speed， feed and AE－RMS mean at the drilling stage

在鉆削過程中，相同主軸轉速下，AE－RMS隨著進給量的增大而增大。這是由于在鉆削過程中，轉速一定時，隨著進給量的增大，單位時間材料切除量也隨之增大，即碳纖維在刀具切削刃的作用下發(fā)生的斷裂也增多。另外，隨著進給量的增大，鉆削軸向力也越來越大，層間損傷也增加，因而聲發(fā)射信號也表現(xiàn)為增大的趨勢。同樣，進給量一定時，隨著轉速的增大，單位時間材料切除量也隨之增大，即碳纖維在刀具切削刃的作用下發(fā)生的斷裂也增多。另外，雖然隨著轉速的增大，鉆削軸向力越來越小，層間損傷減少，但是鉆頭與孔壁的摩擦加劇，因而RMS表現(xiàn)為增大的趨勢。因此，當主軸轉速一定時，RMS隨著進給量的增大而增大；當進給量一定時，RMS也隨著主軸轉速的增大而增大。

3 結論

在不同加工參數(shù)下進行麻花鉆鉆削CFRP的實驗，同時利用聲發(fā)射傳感器對鉆削過程的聲發(fā)射信號進行采集。通過分析普通麻花鉆在不同鉆削參數(shù)下鉆削CFRP的RMS，觀察孔的入口處與出口處形貌，和進一步分析鉆削參數(shù)對RMS的影響，得出了以下結論。

（1）當鉆削CFRP時，刀具鉆入階段RMS響應曲線開始爬升；刀具鉆削階段，聲發(fā)射信號相對比較平穩(wěn)；刀具鉆出階段，RMS響應曲線開始下降。入口處或出口處發(fā)生撕裂，相對應的聲發(fā)射信號將產生突變，通過分析聲發(fā)射信號能夠對撕裂信號進行有效的識別。

（2）鉆削過程中RMS的大小受進給量和主軸轉速的影響。當主軸轉速一定時，RMS隨著進給量的增大而增大；當進給量一定時，RMS也隨著主軸轉速的增大而增大。

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