劉俊義 孫會來 聶曉菊 趙方方

0 引言

近年來碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在航空航天領(lǐng)域大量使用［1－3］，對其安全性能要求很嚴(yán)格，因此為提高制孔質(zhì)量將其與金屬材料疊加制孔，利用兩種材料不同的特點(diǎn)獲得更優(yōu)良的綜合性能。碳纖維脆性大、扛沖擊能力差和層間強(qiáng)度低等缺點(diǎn)［4］，制孔過程中會出現(xiàn)孔入口劈裂、出口撕裂、起毛，孔壁發(fā)生分層、表面粗糙度大等問題。

碳纖維復(fù)合材料在鉆孔的過程中，孔分層主要由于鉆頭推入和推出時軸向力超過臨界軸向力導(dǎo)致，臨界軸向力是在鉆削碳纖維復(fù)合材料板時當(dāng)?shù)毒咩@透最底層碳纖維時的軸向力，即最大軸向力。ZHANG等人建立軸向力的理論模型，預(yù)測導(dǎo)致分層的臨界軸向力［5］；王豪等人用不同種類的刀具對碳纖維復(fù)合材料／鋁合金進(jìn)行鉆孔，選擇出最優(yōu)的制孔刀具［6］。

本文為了探究碳纖維復(fù)合材料單板和碳纖維復(fù)合材料／鈦合金疊層材料在不同工藝參數(shù)下用麻花鉆制孔的情況，并將臨界軸向力的大小作為制孔質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化制孔工藝參數(shù)。

1 CFRP制孔工藝模型建立

在碳纖維復(fù)合材料鉆孔過程中，隨著刀具的不斷推進(jìn)，復(fù)合材料板未切削層慢慢減小，軸向力不斷增大，最底層的復(fù)合材料層與增強(qiáng)材料開始發(fā)生分離，產(chǎn)生分層，圖1為麻花鉆制孔分層的模型。

圖1 麻花鉆制孔分層的模型Fig.1 Delamination model of drilling with twist drill

式中，C3和K是由復(fù)合材料板的力學(xué)性能決定。

2 鉆孔工藝的仿真模型建立

2.1 刀具和工件的模型建立

刀具選用的是標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆，材料為硬質(zhì)合金YG8，刀具參數(shù)為直徑為6 mm，頂角為100°，螺旋角為30°。

CFRP／鈦合金疊層板的模型采用實(shí)體單元建模，碳纖維復(fù)合板的鋪層角度為0°／90°的正交板，共13層，如圖2所示。

CFRP板和鈦合金板的厚度均為2 mm。工件材料分別是 T300 和 Ti－6Al－4V。

ZHANG等人［5］借助線彈性斷裂力學(xué)（LEFM）和經(jīng)典板殼彎曲理論，能量守恒方程可表示為：

式中，pC表示鉆削軸向力；dω0表示鉆頭的位移；GIC表示單位面積上的臨界裂紋擴(kuò)展能量；dA表示分層裂紋面積的增量；dU表示應(yīng)變能的微分。根據(jù)上式推導(dǎo)出臨界軸向力模型可表示為

圖2 CFRP的鋪層示意圖Fig.2 CFRP layer diagram

試驗(yàn)中用的是漢川XK714D數(shù)控立式銑床，數(shù)控系統(tǒng)為FANUCOI－MD。主軸轉(zhuǎn)速范圍是60～5 000 r／min，進(jìn)給速度范圍是 2.5～5 000 mm／min。 軸向力的測試系統(tǒng)選用KISTLER9257B三向壓電式測力儀，后處理軟件是DYNO WARE分別對x、y和z三個方向的軸向力和力矩進(jìn)行處理。

2.2 仿真條件設(shè)置

對鈦合金設(shè)置本構(gòu)模型和損傷模型都是JOHN?SON－COOK 模型［7－9］，碳纖維復(fù)合材料設(shè)置強(qiáng)度參數(shù)，損傷模型和演化都為HASHIN理論網(wǎng)格劃分直接影響仿真的計(jì)算精度、切屑形狀等，為了提高仿真速度，增加仿真精度，在鉆頭與板接觸的位置，網(wǎng)格劃分的小而密集；遠(yuǎn)離鉆頭的位置，網(wǎng)格劃分的大而稀疏。

碳纖維復(fù)合材料和鈦合金的網(wǎng)格單元類型為八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元（C3D8R），鉆頭的單元類型為4節(jié)點(diǎn)線性四面體單元（C3D4）。

仿真的刀具設(shè)置剛體，避免刀具變形對仿真結(jié)果的影響。

本文利用Abaqus軟件對制孔過程進(jìn)行有限元仿真，分別設(shè)置不同的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量，觀察不同加工參數(shù)對仿真結(jié)果的影響，對比分析仿真結(jié)果。試驗(yàn)的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)工藝參數(shù)表Tab.1 Process parameters list in test

3 結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果分析

對仿真得到的結(jié)果進(jìn)行分析，對比在進(jìn)給速度為150 mm／min下不同主軸轉(zhuǎn)速的臨界軸向力圖像，如圖3所示。

圖3 仿真臨界軸向力的對比圖Fig.3 Comparison of the critical thrust force in the simulation

由圖3可以看出，在同一主軸轉(zhuǎn)速下CFRP／鈦合金疊層的制孔的臨界軸向力始終相對較小，而且仿真結(jié)果中云圖變化小，因此選取CFRP／鈦合金疊層材料制孔質(zhì)量較好。仿真應(yīng)力變化云圖，如圖4所示。可知，當(dāng)鉆頭剛接觸到CFRP板時云圖開始有應(yīng)力反應(yīng)，說明軸向力開始產(chǎn)生。在刀具鉆削過程中，由于刀具的不斷推進(jìn)CFRP板發(fā)生變形，在鉆頭附近的區(qū)域應(yīng)力大且應(yīng)力云圖中應(yīng)力方向沿著纖維方向。CFRP的切屑主要是以粉末狀出現(xiàn)，切屑排出的方向在孔出口處和沿著鉆頭的導(dǎo)屑槽。

圖4 仿真過程中應(yīng)力分析圖Fig.4 Stress analysis diagram in the simulation

麻花鉆加工CFRP／鈦合金疊層材料過程中會產(chǎn)生軸向力，軸向力是導(dǎo)致孔出口處撕裂、CFRP板分層的主要原因，直接影響制孔的質(zhì)量，圖5為仿真過程中軸向力的變化圖。

圖5 仿真過程中軸向力的變化圖Fig.5 Thrust force variation curve in the simulation

由圖5仿真制孔過程的軸向力的變化可分為4個階段：

（1）t＝0～0.05 s，刀具開始接觸并進(jìn)入 CFRP 板，刀具鉆削橫刃對CFRP板有垂直方向的壓力，軸向力從零開始迅速增加；

（2）t＝0.05～0.7 s，是刀具進(jìn)入 CFRP 板過程，軸向力平穩(wěn)增加，在0.7s時軸向力最大，此時為導(dǎo)致CFRP板孔壁材料分層的臨界軸向力；

（3）t＝0.7～1.5 s，刀具離開 CFRP 板進(jìn)入鈦合金板，軸向力急速增加，由于鈦板比CFRP板硬度大，達(dá)到最大后慢慢減小并趨于平穩(wěn)，此時的最大點(diǎn)是離開突破鈦合金板時的軸向力；

（4）t＝1.5～2.3 s，軸向力先是趨于平穩(wěn)，而后慢慢減小為0，刀具慢慢鉆出鈦合金板直至刀具刀尖完全鉆出。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1中的加工參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由于軸向力的大小直接影響鉆孔的質(zhì)量，是造成孔出口撕裂、孔壁分層的主要原因。如圖6可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為 5 000 r／min、進(jìn)給速度為 150 mm／min時，軸向力最小。對CFRP板的壓力小，孔的出口毛刺少；高轉(zhuǎn)速刀具對纖維切斷的能力較強(qiáng)，撕裂長度相對較短，孔壁周圍很少有分層。隨著進(jìn)給速度的增大，刀具主切削刃對未切削層的推力和橫刃的擠壓力增大，孔壁周圍分層情況越嚴(yán)重，孔質(zhì)量越差。

圖6 試驗(yàn)中軸向力的變化圖Fig.6 Thrust force variation curves in the test

3.3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

上述仿真和試驗(yàn)探究了麻花鉆加工CFRP／鈦合金疊層板，根據(jù)表1中的工藝參數(shù)進(jìn)行仿真。將上述仿真與試驗(yàn)中測得臨界軸向力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比見圖7。

圖7 仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Fig.7 Comparison between simulation and test

由圖7可以看出仿真與試驗(yàn)的臨界軸向力的變化趨勢幾乎一致，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速一定時，臨界軸向力隨著進(jìn)給速度的增大而增大；當(dāng)進(jìn)給速度一時，臨界軸向力隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小。試驗(yàn)的臨界軸向力數(shù)據(jù)整體要比仿真要小，主要是在仿真過程中接觸設(shè)置、邊界條件的設(shè)置等原因造成的，但仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差距在誤差內(nèi)，通過仿真測量得到的軸向力數(shù)據(jù)有效。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)試驗(yàn)過程中工藝參數(shù)（n＝2 000～5 000 r／min，f＝150～210 mm／min），得出選取較大主軸轉(zhuǎn)速和較小進(jìn)給速度進(jìn)行鉆孔，測得的臨界軸向力最小，應(yīng)力云圖變化最小。

（2）加工CFRP板和CFRP／鈦合金疊層材料的試驗(yàn)過程中，用較大的主軸轉(zhuǎn)速和較小的進(jìn)給速度進(jìn)行加工，臨界軸向力的較小，孔質(zhì)量相對較好。

（3）對仿真和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出用硬質(zhì)合金麻花鉆CFRP／鈦合金疊層材料用高主軸轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給速度可以盡量避免毛刺、出口處的劈裂和分層，孔質(zhì)量更好。

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