纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削分層的研磨檢測(cè)*

山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 汪海晉 孫 杰 李劍峰

中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 李衛(wèi)東

碳纖維復(fù)合材料有比強(qiáng)度高、減振性好、耐疲勞等顯著優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料可有效降低機(jī)體的結(jié)構(gòu)重量，提高飛機(jī)的承載量。在波音787客機(jī)中，復(fù)合材料比重已占飛機(jī)整體重量的50%[1]。在民用工業(yè)中（如汽車、能源、交通等領(lǐng)域），復(fù)合材料的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。復(fù)合材料構(gòu)件與機(jī)體其他零部件裝配時(shí)，往往需要鉆削、銑削等機(jī)械加工，鉆削加工占整個(gè)后續(xù)機(jī)械加工總切削量的50%以上[2]。然而復(fù)合材料作為典型的難加工材料，由于層間性能差，在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生分層、撕裂、毛刺等加工缺陷。其中，分層是最嚴(yán)重的加工缺陷，導(dǎo)致材料力學(xué)性能的嚴(yán)重下降，嚴(yán)重影響了復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

針對(duì)復(fù)合材料鉆削加工的分層問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究。Hocheng和Dharan[3]于1990 年提出了孔出口側(cè)發(fā)生分層的臨界軸向力計(jì)算模型。Chen[4]發(fā)現(xiàn)通過(guò)建立平均軸向力與分層現(xiàn)象之間的聯(lián)系可以獲得分層發(fā)生的軸向力起始值。Lachaud等人[5]研究了不同參數(shù)對(duì)復(fù)合材料加工的影響，結(jié)果顯示：較好的切削參數(shù)組合能減少分層缺陷。J.P.Davim等[6]通過(guò)田口技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，建立了分層與主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的多元線性關(guān)系。張厚江等人[7-8]對(duì)鉆削軸向力引起的孔出口橢圓形分層缺陷的原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了疊層剛度最大的方向是產(chǎn)生最大分層缺陷的方向。Karnik等[9]通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)研究CFRP 材料鉆孔時(shí)鉆削參數(shù)與分層之間的關(guān)系，試驗(yàn)過(guò)程中考慮了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及鉆頭頂角對(duì)分層的影響。

由于針對(duì)分層變化情況的研究均須建立在對(duì)復(fù)合材料分層情況的精確檢測(cè)的基礎(chǔ)上，因此，如何對(duì)復(fù)合材料分層情況進(jìn)行直觀準(zhǔn)確的檢測(cè)，成為復(fù)合材料分層研究的首要任務(wù)。

Chen[4]使用四溴乙烷對(duì)孔壁進(jìn)行了浸泡，利用X射線無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)分層區(qū)域進(jìn)行了測(cè)量，并采用分層因子對(duì)分層缺陷進(jìn)行了評(píng)價(jià)；Stone 與Krishnamurthy[10]利用CCD攝像機(jī)對(duì)分層進(jìn)行觀察；張厚江等人[11]采用氯化金溶液對(duì)分層缺陷進(jìn)行滲透檢測(cè)，總結(jié)了孔的整體平面分層模型；Tscao等人[12]采用超聲C掃描觀察了分層形貌，對(duì)臨界軸向力理論進(jìn)行了研究。

由于分層缺陷位置的特殊性以及檢測(cè)手段的局限性，難以對(duì)分層的三維形貌進(jìn)行直觀準(zhǔn)確的觀察。X射線檢測(cè)成本高，檢測(cè)靈敏度受缺陷的取向影響嚴(yán)重；CCD攝像機(jī)無(wú)法對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行直觀檢測(cè)；超聲檢測(cè)是比較常用的方法，但檢測(cè)精度受探頭靈敏度限制，且對(duì)操作人員要求較高；滲透檢測(cè)法無(wú)法對(duì)分層的高度進(jìn)行檢測(cè)。目前，關(guān)于復(fù)合材料分層形貌的分析主要集中在分層平面區(qū)域的檢測(cè)。本文采用不同鉆削深度的孔加工試驗(yàn)以及研磨檢測(cè)法相結(jié)合，通過(guò)不同鉆削深度孔加工試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，獲得了鉆削加工中出口分層缺陷變化的全過(guò)程，同時(shí)利用研磨檢測(cè)法對(duì)孔出口分層進(jìn)行研磨觀察，得到了孔出口不同位置的分層具體情況，從而實(shí)現(xiàn)了孔出口分層缺陷的三維立體成形，并對(duì)分層的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了描述與分析。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用T300/QY8911正交編織碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板，單層厚度為338μm，層間角度差為90°。試驗(yàn)板材厚度為3.1mm，為觀測(cè)分層形貌的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)不同鉆深試驗(yàn)。鉆頭轉(zhuǎn)速n設(shè)定為5000r/min，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)給量fr設(shè)定為0.06 mm/r，采用干式鉆削。如圖1所示，設(shè)定9個(gè)分別為： 2.1mm、2.5mm、2.9mm、3.3mm、3.7mm、4.1mm、4.5mm、4.9mm、5.3mm的鉆孔深度，深度范圍為2.1mm～5.3mm。

圖1 鉆孔深度設(shè)計(jì)Fig.1 Holes of different drilling depth

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)所用刀具為 SANDVIK 公司生產(chǎn)的φ6 mm硬質(zhì)合金大頂角涂層鉆頭，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)刀具參數(shù)

鉆削試驗(yàn)在DAEWOO ACE-V5000 立式加工中心上進(jìn)行，采用Kistler-9257A動(dòng)態(tài)測(cè)力儀進(jìn)行鉆削力測(cè)試。為了研究鉆削參數(shù)對(duì)鉆孔質(zhì)量的影響，利用VHX-600E 超景深顯微鏡分別對(duì)孔入口側(cè)和孔出口側(cè)的表面形貌進(jìn)行拍攝。圖2為鉆削加工試驗(yàn)裝置及相關(guān)設(shè)備。

圖2 復(fù)合材料鉆削加工試驗(yàn)原理及裝置Fig.2 Experimentprinciple and set-up of composites drilling

2 復(fù)合材料分層研磨檢測(cè)法

利用研磨檢測(cè)法可以實(shí)現(xiàn)孔出口分層形貌的三維檢測(cè)，該方法共分為研磨、切屑清理、研磨面觀察、二維形貌匯總和三維形貌繪制，整體流程如圖3所示。

圖3 研磨觀察法流程Fig.3 Grinding observation method

將單個(gè)孔的板材以圖4的方式進(jìn)行研磨，每次研磨1mm，共計(jì)13次，每次研磨完成后利用鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行切屑清理。

圖4 研磨觀察Fig.4 Grinding observation

利用VHX-600E 超景深顯微鏡對(duì)研磨面進(jìn)行尺寸檢測(cè)記錄，最后將13次研磨所觀察的分層尺寸進(jìn)行匯總，如圖5所示，利用橫軸將孔分為上下兩部分，上半部分代表孔右側(cè)的相關(guān)尺寸，下半部分代表孔左側(cè)的相關(guān)尺寸，每個(gè)研磨面分別記錄這兩部分的分層高度與長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，圖5中，A、C、E為研磨面①、②、③的分層長(zhǎng)度，B、D、F為研磨面①、②、③的分層高度。

圖5 分層形貌數(shù)據(jù)匯總方式Fig.5 Method of data summary for delamination morphology

根據(jù)所有研磨面的相關(guān)二維尺寸，利用三維繪圖軟件即可繪制出分層的三維形貌。

3 結(jié)果與分析

3.1 出口分層形貌的變化規(guī)律

將所有研磨面的二維形貌進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量并匯總，便可得出孔不同位置的分層具體尺寸，如圖6所示。進(jìn)而利用三維繪圖軟件準(zhǔn)確繪制出分層的三維形貌。

圖6 鉆深4.1mm時(shí)孔的分層數(shù)據(jù)匯總Fig.6 Datasumm ary of delamination with drilling depth of 4.1mm

利用以上方法，可以得出隨著鉆削深度的增加，不同鉆深孔出口分層的三維形貌，如表2所示。

表2 不同鉆深孔出口分層的三維形貌

根據(jù)不同鉆削深度時(shí)的分層測(cè)量數(shù)據(jù)，作出分層缺陷的最大直徑變化趨勢(shì)圖，如圖7所示。

（1）鉆削過(guò)程的初始階段，分層的最大直徑為零。原因是當(dāng)鉆頭初步鉆入板材時(shí)，未切削厚度比較大，鉆削力未達(dá)到分層所需的臨界軸向力，因此未能發(fā)生分層。

圖7 分層直徑變化趨勢(shì)Fig.7 Changes of delamination

（2）隨著鉆削深度的增加，開始發(fā)生分層，且分層區(qū)域超過(guò)鉆削孔直徑尺寸。這是由于軸向力隨鉆削深度而逐漸增大，且由于未切削厚度減小，分層的臨界軸向力減小，層間結(jié)合力小于鉆削產(chǎn)生的軸向力，導(dǎo)致分層區(qū)域擴(kuò)展。

（3）當(dāng)鉆頭完全鉆透板材后，隨著鉆深的增加，檢測(cè)到的分層最大直徑產(chǎn)生明顯的降低，這是由于縮孔與刀具結(jié)構(gòu)的共同作用。圖8為鉆深5.3mm時(shí)的軸向力變化情況，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到5.3mm后，鉆頭開始退出孔，此時(shí)的軸向力為負(fù)值?？梢缘贸?，當(dāng)鉆頭鉆透板材后，由于鉆頭的導(dǎo)向部分存在向柄部方向減小的倒錐量，孔徑產(chǎn)生回縮，當(dāng)?shù)毒咄顺隹讜r(shí)，會(huì)帶動(dòng)孔出口部分的材料向孔入口方向運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致分層的高度值減小，甚至原本已張開的分層區(qū)域邊緣被再次壓緊。鉆頭鉆透后伸出的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其退出時(shí)對(duì)分層的壓緊程度越嚴(yán)重。由于檢測(cè)精度的限制，該部分未能檢測(cè)到，導(dǎo)致所觀察到的最終分層區(qū)域縮小。

圖8 鉆孔深度5.3mm時(shí)的軸向力變化Fig.8 Thrust force with drilling depth of 5.3mm

因此，在分層的邊緣位置，存在著由于鉆頭退出而被再次壓緊的分層區(qū)域以及有分層趨勢(shì)的區(qū)域，我們稱之為“隱性分層區(qū)”。顯然，分層檢測(cè)區(qū)域完全相同的兩個(gè)孔，其“隱性分層區(qū)”大小不同，孔的性能也就不同，“隱性分層區(qū)”越大，孔的性能越差，壽命也就越低。如何對(duì)潛在分層區(qū)的情況進(jìn)行描述，進(jìn)而對(duì)孔的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，成為一個(gè)比較迫切的問(wèn)題。

4 結(jié)論

（1）采用研磨觀察法可以精確檢測(cè)到分層三維形貌的具體情況，檢測(cè)結(jié)果直觀、準(zhǔn)確、可靠。

（2）隨著鉆削過(guò)程的進(jìn)行，孔出口處的分層面積呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。加工完成后所檢測(cè)到的分層區(qū)域小于孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)際分層區(qū)域，原因是由于加工完成后退刀時(shí)所帶來(lái)的分層邊緣區(qū)域再次壓緊。

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