碳纤维增强复合材料钻削轴向力的研究

王天宇，金成哲，邵雍博

(沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳 110159)

碳纤维增强复合材料CFRP(carbon riber reinforced plastics)是以树脂为基体、碳纤维为增强体的新型工程材料，具有强度高、热稳定性好、比热容高、热膨胀系数小等特点，已广泛应用于航空航天，军工产品等领域。但由于纤维材料层间强度低，具有复杂的各向异性，容易发生破坏，而钻削碳纤维增强复合材料产生的轴向力是引起加工损伤的主要因素[1]。

目前，国内外学者对碳纤维增强复合材料钻削轴向力方面的研究日益增多。刘洋等[2]通过双锋角钻头钻削CFRP试验，得到轴向力变化规律。孟庆勋[3]采用钻削比功率对局部微元力进行经验表示，建立了钻削比功率与轴向力之间的关系。李远霄等[4]采用高低频复合振动钻削和超声钻削与普通钻削CFRP/钛合金复合材料进行了研究，对比得出最佳的加工方式。陈晓川[5]利用有限元软件建立模型研究了碳纤维经编针织复合材料的钻削加工过程，得到Z向轴向力的变化规律。姚琦威等[6]应用单因素法进行了低频振动钻削叠层材料试验，研究了刀具角度对钻削轴向力的影响，得出钻头顶角随轴向力增大而增大的结论。于海夫[7]建立了CFRP/铝合金叠层结构制孔轴向力分阶段预测模型，通过叠层结构制孔试验，测量并验证了轴向力，实现了叠层结构制孔时轴向力的有效预测。Phadnis与Isbilir等[8-9]利用仿真软件建立了钻削模型，研究钻削参数造成对轴向力和分层缺陷的影响。孙鸿洋等[10]结合不同的纤维切削角时复材切削机理，研究了不同纤维切削角对制孔表面影响层厚度的影响规律。刘书暖[11]基于帕累托占优原理构建了帕累托最优工艺参数集穷举搜索算法，以T700-TDE85/Ti- 6Al- 4V叠层构件为对象，得到了最优工艺参数。南成根[12]设计正交试验分析了钛合金切屑和切削参数对CFRP层钻孔质量的影响，观察了轴向切削力和力矩的变化以及钛合金切屑形态，分析CFRP层孔径超差和入口撕裂的机理。本文中通过钻削加工仿真和钻削试验2种分析方法进行对比验证，对钻削碳纤维复合材料轴向力进行研究，得出不同钻削参数对轴向力的影响规律，为选择钻削碳纤维增强复合材料的钻削参数提供参考依据。

2.1 钻削仿真模型及方案

工件材料为T300碳纤维增强复合材料，工件材料本构模型选择三维工程常数的材料本构，损伤准则为Hashion准则。刀具模型采用硬质合金刀具，螺旋角均为β=30°，顶角φ=140°，直径分别为：d=4 mm，d=10 mm，d=16 mm。刀具材料物理性能参数如表1所示，工件材料物理性能参数如表2所示。CFRP材料本构模型参数如表3所示，CFRP的Hashin损伤参数如表4所示。

表1 刀具物理性能参数Table 1 Tool physical performance parameters

表2 CFRP物理性能参数Table 2 CFRP performance parameters of each phase

表3 CFRP的三维工程常数材料本构模型参数Table 3 CFRP three-dimensional engineering constant material constitutive model parameters

表4 CFRP的Hashin损伤参数Table 4 CFRP Hashin damage parameters

三维工程常数(Engineering constants)表达式如式(1)

(1)

式中：E为杨氏模量，MPa；
G为剪切模量，MPa；
ν为泊松比；
ε为应变。

在这个三维工程常数柔度矩阵形式中，等号左侧的部分表示应变，等号右侧分别表示柔度矩阵和应力。其中E1、E2、E3分别表示3个方向的杨氏模量，G12、G13、G23分别表示3个方向的剪切模量，ν12、ν13、ν23分别表示3个方向的泊松比。简化为二维平面应力正交各向异性材料本构，如式(2)所示。

(2)

工件尺寸为100 mm×100 mm,每层0.25 mm，共8层,采用0°/90°/45°/-45°/-45°/45°/90°/0°铺层方式,将上述材料属性进行设定后，将工件刀具进行装配如图1所示，设置分析步，载荷设定，采用普通壳单元，四节点缩减积分并带沙漏控制(S4R)六面体网格划分。工件网格设置和铺层设置如图2和图3所示，设置完成提交作业。

图1 刀具与工件仿真装配图Fig.1 Tool and workpiece simulation assembly diagram

图2 工件网格划分Fig.2 Workpiece meshing

图3 工件铺层Fig.3 Workpiece layup

应用正交试验法进行仿真试验，能够有效减少试验次数，且所得结论准确可靠。采用3个因素水平，钻头直径d，切削速度vc，进给量f，设计正交试验表，如表5所示。

表5 正交试验表Table 5 Orthogonal experiment table

2.2 仿真结果及分析

如图4为钻削T300碳纤维复合材料时钻削应力变化仿真图，可以看出，从时间t=0 s到t=0.9 s时应力的分布范围随时间增长而逐渐扩大，因为随着钻头的下压，压力越来越大所以应力的范围越来越大。而从1.2 s之后随时间的增长而应力的面积逐渐缩小，因为随着钻头的钻入，去除材料的材料越来越多，所以应力的分布面积就越来越少。因此在钻削碳纤维复合材料的过程不仅仅是钻头的推力导致的弹性形变，还有钻头的剪切作用。

图4 T300碳纤维复合材料钻削应力变化仿真图Fig.4 Simulation diagram of drilling stress change of T300 carbon fiber composite materials

钻削轴向力是钻削碳纤维增强复合材料过程中重要的物理量之一，它能够反映被钻削材料的切削状态，受力分布和切削稳定性等信息。在钻孔加工过程中，由于钻削力和钻削热的共同作用，孔口处经常出现起毛、撕裂、分层等缺陷。因此在钻削碳纤维增强复合材料的试验中，研究轴向力的变化规律有很大的意义，减小轴向力是减小甚至避免碳纤维增强复合材料钻削加工中形成的抽丝、毛边、分层、撕裂等缺陷的关键。钻削过程中的受力分析如图5所示，在刀具的正前角部分，加工材料受到切削刃上沿速度方向的力Fv1和沿Z轴竖直向上的力Fz1，Fz1使材料向上翘起，Fv1主要切削材料作用。加工材料受到切削刃上沿速度方向的作用力Fv2和沿Z轴竖直向下的力Fz2，Fv2主要切削材料作用，Fz2在Fv2作用下，将材料进行挤压，当达到碳纤维的压缩极限时，材料发生崩碎。由于Fv2靠近钻心，故其切削力很小，可忽略不计。其中Fz2是引起剥离、分层、撕裂等缺陷的主要原因之一。所以重点研究沿Z轴竖直方向的力Fz2。

图5 钻削过程二维示意图Fig.5 Two-dimensional schematic diagram of drilling process

通过三维仿真得到钻削T300碳纤维增强复合材料轴向力，对数据进行整理分析得到仿真试验结果。对仿真轴向力试验结果进行极差分析，如表6所示，得到钻削参数对轴向力的影响程度为d>f>vc，即钻头直径大小对轴向力影响最大，进给量次之，切削速度影响最小。

表6 钻削仿真结果和极差分析表Table 6 Simulation results of drilling and range analysis

3.1 钻削试验方案

为检验上述有限元仿真模型的准确合理性，进行钻削T300型碳纤维复合材料的切削试验。钻削试验设备为VMC850E立式加工中心，如图6(a)所示。工件材料为T300型碳纤维复合材料的单向板，工件长度和宽度均为100 mm，厚度为6 mm，选用铺层方式分别是全为0°和0°/45°/90°/135°的2种铺层方式复合材料板。选用Kistler 9123C型旋转测力仪作为钻削轴向力的采集设备(如图6(b)所示)。

图6 钻削加工试验设备与仪器Fig.6 Drilling processing test equipment and instruments

试验刀具选用外冷型整体硬质合金麻花钻，麻花钻参数如表7所示。

表7 外冷型整体硬质合金麻花钻参数Table 7 External cooling solid carbide twist drill parameters

在进行钻削加工试验时，使用专用夹具将工件固定在工作台上，麻花钻安装到机床主轴上，旋转测力仪的转子安装在主轴的外侧，将测点的电信号通过电荷放大器和数据采集卡与计算机相连，再进行数据处理和显示，如图7所示为钻削轴向力采集系统。

图7 钻削轴向力采集系统Fig.7 Drilling axial force acquisition system

3.2 钻削试验结果与分析

采用正交试验法(正交试验表如表5所示)，通过钻削T300碳纤维增强复合材料试验，经过软件滤波和去漂移处理后得到轴向力的试验结果如图8所示，可以看出钻削轴向力Fz远大于其他两个方向的切削力Fx和Fy，故重点研究沿Z轴竖直方向的轴向力Fz2。

图8 钻削T300碳纤维增强复合材料的切削力试验结果Fig.8 Cutting force test results of drilling T300 carbon fiber reinforced plastics

对试验结果进行极差分析(如表8所示)，得到钻削参数对轴向力的影响程度为d>f>vc，即，钻头直径对轴向力影响最大，进给量次之，切削速度影响最小，当钻头直径为d=4 mm，切削速度vc=40 m·min-1，进给量f= 0.02 mm·r-1时为最佳钻削参数。

表8 钻削试验结果和极差分析Table 8 Test results of drilling and range analysis

钻削碳纤维增强复合材料的仿真和试验结果存在一定的误差，平均误差为4.16%。其主要原因：一方面，由于建立切削仿真模型时假定了一些工艺条件，仿真过程理想化。另一方面，在钻削碳纤维增强复合材料试验过程中，由于机床的振动，主轴转速的误差以及测试仪器精度误差等多种因素综合作用，造成了试验结果和仿真结果的误差。通过对仿真和试验结果的极差分析，可以看出钻削参数对轴向力的影响程度顺序是一致的，证明所建立的钻削仿真模型是准确和合理可靠的，具有可行性。

4.1 钻头直径对轴向力的影响

基于上述钻削碳纤维增强复合材料的切削仿真模型，选取切削速度为40 m·min-1，进给量为0.08 mm·r-1，钻头直径分别选取4 mm、10 mm、16 mm、22 mm，采用单因素法进行试验。对测得钻削轴向力进行统计分析得到轴向力与钻头直径之间的变化曲线，如图9所示。

图9 钻头直径对钻削轴向力的影响趋势Fig.9 The influence of drilling axial force corresponding to different drill diameters

由图9所示的不同钻头直径进行试验对应钻削轴向力的数据折线图可以看出，随着钻头直径的增大，轴向力增大。当钻头直径d=4 mm时，此时轴向力最小，F=71.46 N；
当钻头直径d=22 mm时，此时轴向力最大，F=342.31 N。主要原因是钻头直径的增加钻头的横刃也会随之增长，横刃对于碳纤维层合板的挤压随之增加。若选取大直径钻头进行钻削加工，切削刃的切削面积将随之增大，由切削理论可知，切削力与切削面积成正比，因此，随钻头直径增大，钻削轴向力也增大。

4.2 进给量对轴向力的影响

基于上述钻削碳纤维增强复合材料的切削仿真模型，选取钻头直径d=4 mm，切削速度vc=40 m·min-1，进给量分别选取f=0.02 mm·r-1、f=0.05 mm·r-1、f=0.08 mm·r-1、f=0.11 mm·r-1，采用单因素法进行试验。对测得钻削轴向力进行统计分析得到轴向力与进给量之间的变化曲线，如图10所示。

图10 进给量对钻削轴向力的影响趋势Fig.10 The influence of feed rate on drilling axial force

由图10所示的不同进给量进行试验对应钻削轴向力的数据折线图可以看出，随着进给量的增大，轴向力增大。当进给量f=0.02 mm·r-1时，此时轴向力最小，F=71.46 N；
当进给量f=0.11 mm·r-1时，此时轴向力最大，F=101.73 N。其主要原因是进给量增大，钻头向下的距离变大，钻头施加给被加工工件上的力变大。在单位时间内钻头与工件的接触面积变大，摩擦力变大，因此钻削轴向力变大。

1) 通过建立钻削碳纤维增强复合材料仿真模型，对钻削轴向力进行仿真，并对仿真结果进行极差分析，钻削参数对钻削轴向力的影响顺序依次为钻头直径、进给量和切削速度。

2) 利用试验的数据与仿真的数据进行对比，得出试验的数据与仿真的数据的误差，证明仿真的数据合理性。验证仿真模型是合理正确的，具有可行性。

3) 应用验证的钻削加工仿真模型，进行钻削轴向力的切削试验，得出进给量与钻削轴向力成正比，相比于切削速度，进给量影响更大。在进行钻削同等孔径碳纤维增强复合材料时，可以通过选择减小进给量的方式，来提高钻削加工质量。