姜旭，鮑宇，劉可寧，張云鶴

1黑龍江工程學院工程訓練中心；2東北林業(yè)大學機電工程學院

1 引言

隨著航天航空和汽車等高精尖行業(yè)領域的科技進步，對材料的性能要求越來越高，傳統材料很難滿足高端產品需求，所以各行各業(yè)對新材料的需求激增。復合材料被認為是可能取得重大進展的新型材料，也是各大科研院所研究的熱點之一。碳纖維增強型樹脂復合材料(CFRP)通常是以熱固性樹脂為基體材料、碳纖維為增強體的復合材料。增強體碳纖維具有優(yōu)異的力學性能，尤其對于結構型復合材料，碳纖維可承受更高的外部載荷，此外CFRP具有高韌性、耐熱和質量輕等優(yōu)點，在新型工業(yè)領域使用量持續(xù)增長。

CFRP在鉆削加工過程中容易出現周邊撕裂、分層、毛刺和抽絲等質量缺陷[1]，由于碳纖維硬度高，會加劇刀具磨損，且加工性能差、效率低，屬于難加工材料。Pereszlai C.等[2]對比分析了鉆削傾斜角度對碳纖維和玻璃纖維增強基復合材料鉆削過程中軸向力和加工后表面質量的影響。Koklu U.等[3]提出了在液氮中進行低溫鉆削的方法，該方法可降低刀具磨損量，改善板料表面粗糙現象，提高CFRP加工可行性。Merino Perez J.L.等[4]研究了材料性能和鉆削速度對CFRP鉆孔散熱的影響。王金宇等[5]采用VUMAT子程序改進了Hashin本構模型，并分析了纖維方向、鉆頭形狀、進給率和主軸轉速對鉆削質量和成形力的影響。王小韃等[6]研究了工藝參數對深孔鉆削不同區(qū)段表面質量的影響，并提出一種不同區(qū)段變工藝參數的大厚度碳纖維復合材料鉆削工藝方法。張明輝等[7]研究了麻花鉆半徑和頂角對單向板鉆孔分層損傷的影響，并通過超聲C掃驗證了模擬結果的準確性。

CFRP鉆削工藝和性能缺陷是國內外學者研究的熱點問題，目前針對鉆削工藝的模擬研究多以金屬材料為主，CFRP材料相對較少。本文基于ABAQUS軟件建立CFRP板料鉆削有限元模型，研究鉆削工藝參數(主軸轉速、軸向進給速率和鉆頭直徑)對軸向力和扭矩的影響，通過模擬結果找出相關規(guī)律，對CFRP板料鉆削加工具有借鑒意義。

2 建立CFRP板料鉆削有限元模型

2.1 邊界條件及網格劃分

采用麻花鉆鉆削CFRP板料，通過UG軟件建立刀具模型，鉆頭直徑為4～7mm，麻花鉆鉆頭示意圖如圖1所示。采用前處理軟件ANSA對麻花鉆三維模型進行四面體網格劃分，其中接觸區(qū)域網格尺寸為0.3mm，非接觸區(qū)域網格尺寸為1mm，單元類型為C3D4，單元數為13096，將生成的網格文件導入ABAQUS軟件并轉化成剛體。

圖1 麻花鉆鉆頭

CFRP板料為12mm×12mm正方形薄板，采用掃掠技術劃分有限元網格，網格尺寸為0.2mm，單元數為28800，纖維取向設置為八層對稱結構，分別為0°/90°/45°/-45°/-45°/45°/90°/0°，每層纖維厚度為0.2mm，單元類型為連續(xù)殼單元SC8R，纖維粘接層采用Cohesive內聚力單元進行模擬，單元厚度設置為0，麻花鉆與板料成90°垂直裝配，鉆頭與薄板中心點距離為0.1mm，CFRP板料鉆削有限元模型如圖2所示。

圖2 CFRP板料鉆削有限元模型

板料鉆削過程基于ABAQUS軟件顯示動力學進行分析，約束CFRP板料四周節(jié)點1～6的自由度，麻花鉆鉆頭和板料的接觸區(qū)域定義為面面接觸，將載荷施加在剛體麻花鉆末端節(jié)點上，并沿Z向施加主軸加速度，繞Z軸施加主軸轉速。

2.2 材料本構模型

Hashin失效準則用于判斷并計算復合材料失效行為，是工程中使用較為廣泛的準則之一。由于復合材料加工試驗結果具有較大分散性，采用Hashin失效準則，該準則可區(qū)分的失效模式包括：纖維拉伸模式、纖維壓縮模式、基體拉伸模式和基體壓縮模式等。二維Hashin失效準則如式(1)～式(4)所示[8-10]。

纖維拉伸模式為

(1)

纖維壓縮模式

(2)

基體拉伸模式為

(3)

基體壓縮模式為

(4)

式中，σ11，σ22，σ12分別為縱向、橫向、剪切方向上應力分量；XT為軸向拉伸強度；α為剪切應力對纖維起始損傷貢獻系數；XC為軸向壓縮強度；YT為橫向拉伸強度；YC為橫向壓縮強度；S12為面內剪切強度；S23為橫向剪切強度。

材料參數設置采用ABAQUS軟件的二維Lamina單層板材料模型，該模型為正交彈性平面應力模型，所需材料參數如表1所示，材料損傷參數如表2所示，其中，E1，E2為X，Y方向彈性模量，Nu12為泊松比，G12，G13，G23為XOY，XOZ，YOZ平面剪切模量。

表1 復合材料材料參數

表2 材料損傷參數

3 模擬結果與分析

3.1 不同鉆削階段結果分析

鉆削纖維增強基體復合材料時會發(fā)生塑性變形、剪切斷裂和彎曲斷裂，本文研究鉆削過程中最大Mises應力、軸向力和扭矩變化情況。碳纖維增強體相較于芳綸纖維和玻璃纖維增強體有更小的破壞應變，且更易被壓斷和折斷[11]。選擇主軸轉速為1500r/min，軸向進給速率為2mm/s，摩擦系數為0.2，觀察CFRP板料鉆削過程。圖3為鉆削過程的Mises應力云圖，圖4為最大Mises應力變化曲線?？梢钥闯觯琈ises應力隨著鉆頭下降逐漸向四周擴展，材料性能退化采用Camanho參數退化模型，在鉆削過程中，某些單元剛度逐步退化，導致單元失效并被自動刪除[12]。當鉆頭橫刃開始鉆入板料時，最大Mises應力逐漸增大；隨著麻花鉆繼續(xù)鉆進，最大Mises應力在某一區(qū)間波動；當鉆頭即將突破最后一層纖維層時，最大Mises應力達到峰值(1331.68MPa)；麻花鉆繼續(xù)鉆進，最大Mises應力逐漸降低并趨于穩(wěn)定值，維持在1000MPa左右。

圖3 鉆削過程Mises應力云圖

圖4 最大Mises應力變化曲線

由于鉆削加工過程中鉆削工具的主切削刃和副切削刃對稱，徑向力對鉆削加工影響較小可忽略不計，軸向力對鉆削力的影響最大，同時軸向力對CFRP板料鉆削表面質量也影響很大。軸向力低于極限值，一般不會發(fā)生分層損傷等問題，軸向力超過極限值時，切削橫刃接觸到復合板料底部，會對碳纖維造成撕扯，影響孔洞表面質量和精度[13]，因此要合理控制鉆削力。

圖5為CFRP板料鉆削軸向力曲線，結合圖5和圖3可知，當麻花鉆鉆頭開始接觸板料中心并刺入時，軸向力以線性增加，隨著麻花鉆的鉆進，軸向力產生較大波動，這種波動主要由碳纖維與增強體的不同性質所致；當鉆頭橫刃鉆削至第四層(纖維方向為-45°的板料對稱中心區(qū)域)時，軸向力達到峰值；當麻花鉆繼續(xù)鉆進，軸向力持續(xù)波動并繼續(xù)降低；當鉆頭橫刃刺透最后一層纖維層后，軸向力在0N附近波動并逐漸穩(wěn)定。

圖5 CFRP板料鉆削軸向力曲線

進給速率、鉆頭直徑和板料材質等都會對扭矩大小產生影響，扭矩是鉆頭每個切削刃扭矩總和[14]。圖6為CFRP板料鉆削過程扭矩曲線。分析可知，當鉆頭開始鉆入板料時，扭矩以波動形式緩慢增加，麻花鉆橫刃完全刺入至第五層纖維后，扭矩快速增加，達到第一個較大值；麻花鉆繼續(xù)鉆進，扭矩持續(xù)波動變化，當麻花鉆鉆頭的主切削刃完全插入板料，扭矩達到最大值(0.18N·m)；隨著麻花鉆繼續(xù)鉆進，扭矩也以波動的形式逐漸降低,當主切削刃完全穿透最后一層纖維后，扭矩在0N·m附近波動并趨于穩(wěn)定。

圖6 CFRP板料鉆削扭矩曲線

3.2 主軸轉速對CFRP板料鉆削影響

選擇主軸轉速為1500r/min，2000r/min，2500r/min，3000r/min，軸向進給速率為2mm/s，鉆頭直徑為5mm，其他工藝參數保持不變，對CFRP板料進行鉆削分析，獲得四組軸向力曲線和扭矩曲線峰值(見圖7)。

圖7 主軸轉速對鉆削力及扭矩影響

觀察軸向力和扭矩變化趨勢可知，隨著主軸轉速增加，軸向力呈減小趨勢，扭矩也呈減小趨勢。對軸向力的影響主要由于提高主軸轉速會增加模擬過程中的材料去除率，導致軸向力降低[15]。實際加工過程中，主軸轉速不宜過高，過高會降低鉆削加工時工具的使用壽命。

3.3 軸向進給速率對CFRP板料鉆削影響

選擇軸向進給速率為2mm/s，4mm/s，6mm/s，8mm/s，主軸轉速為1500r/min，鉆頭直徑為5mm，其他參數保持不變，對CFRP板料進行鉆削分析，獲得進給速率對軸向力和扭矩峰值的影響曲線(見圖8)。隨著軸向進給速率增加，軸向力和扭矩呈增大趨勢；同時，增大軸向進給速率也會提升計算速度，實際加工過程中加工效率得到提高，但是過高的加工速率會降低鉆孔加工的表面質量。

圖8 進給速率對鉆削力及扭矩影響

3.4 鉆頭直徑對CFRP板料鉆削影響

通過UG軟件繪制四組不同規(guī)格的麻花鉆，鉆頭直徑分別為4mm，5mm，6mm，7mm，主軸轉速為1500r/min，軸向進給速率為2mm/s，其他參數保持不變，獲得鉆頭直徑對軸向力和扭矩峰值影響曲線(見圖9)?？芍S向力和扭矩隨著鉆頭直徑增大呈增大趨勢，這是由于鉆頭直徑增加會增大CFRP鉆削過程中材料切削面積，增加克服材料阻力所做功，從而影響軸向力和扭矩大小[16，17]。

圖9 鉆頭直徑對鉆削力及扭矩影響

4 結語

通過有限元技術模擬CFRP板料鉆削過程，研究了主軸轉速、軸向進給速率和鉆頭直徑對鉆削軸向力和扭矩的影響，得到以下結論。

(1)鉆削過程中鉆頭突破最后一層纖維時Mises應力會達到峰值。當鉆頭橫刃開始鉆削第四層纖維層，即板料對稱中心區(qū)域，扭矩達到最大值(0.18N·m)，鉆頭主切削刃完全插入板料，扭矩值居于穩(wěn)定。

(2)CFRP板料鉆削過程中，軸向力和扭矩隨著主軸轉速增大呈減小趨勢，隨著軸向進給速率增加而增大，隨鉆頭直徑增大呈增大趨勢。