碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料鉆削行為模擬研究

姜旭，鮑宇，劉可寧，張云鶴

1黑龍江工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心；2東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

1 引言

隨著航天航空和汽車等高精尖行業(yè)領(lǐng)域的科技進(jìn)步，對材料的性能要求越來越高，傳統(tǒng)材料很難滿足高端產(chǎn)品需求，所以各行各業(yè)對新材料的需求激增。復(fù)合材料被認(rèn)為是可能取得重大進(jìn)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(qiáng)型樹脂復(fù)合材料(CFRP)通常是以熱固性樹脂為基體材料、碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料。增強(qiáng)體碳纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能，尤其對于結(jié)構(gòu)型復(fù)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(zhì)量輕等優(yōu)點，在新型工業(yè)領(lǐng)域使用量持續(xù)增長。

CFRP在鉆削加工過程中容易出現(xiàn)周邊撕裂、分層、毛刺和抽絲等質(zhì)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(qiáng)基復(fù)合材料鉆削過程中軸向力和加工后表面質(zhì)量的影響。Koklu U.等[3]提出了在液氮中進(jìn)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(xiàn)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(jìn)了Hashin本構(gòu)模型，并分析了纖維方向、鉆頭形狀、進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速對鉆削質(zhì)量和成形力的影響。王小韃等[6]研究了工藝參數(shù)對深孔鉆削不同區(qū)段表面質(zhì)量的影響，并提出一種不同區(qū)段變工藝參數(shù)的大厚度碳纖維復(fù)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(jié)果的準(zhǔn)確性。

CFRP鉆削工藝和性能缺陷是國內(nèi)外學(xué)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(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給速率和鉆頭直徑)對軸向力和扭矩的影響，通過模擬結(jié)果找出相關(guān)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(wǎng)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(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，其中接觸區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.3mm，非接觸區(qū)域網(wǎng)格尺寸為1mm，單元類型為C3D4，單元數(shù)為13096，將生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入ABAQUS軟件并轉(zhuǎn)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(shù)劃分有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.2mm，單元數(shù)為28800，纖維取向設(shè)置為八層對稱結(jié)構(gòu)，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(nèi)聚力單元進(jìn)行模擬，單元厚度設(shè)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(xué)進(jìn)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(zhuǎn)速。

2.2 材料本構(gòu)模型

Hashin失效準(zhǔn)則用于判斷并計算復(fù)合材料失效行為，是工程中使用較為廣泛的準(zhǔn)則之一。由于復(fù)合材料加工試驗結(jié)果具有較大分散性，采用Hashin失效準(zhǔn)則，該準(zhǔn)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(zhǔn)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(yīng)力分量；XT為軸向拉伸強(qiáng)度；α為剪切應(yīng)力對纖維起始損傷貢獻(xiàn)系數(shù)；XC為軸向壓縮強(qiáng)度；YT為橫向拉伸強(qiáng)度；YC為橫向壓縮強(qiáng)度；S12為面內(nèi)剪切強(qiáng)度；S23為橫向剪切強(qiáng)度。

材料參數(shù)設(shè)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(yīng)力模型，所需材料參數(shù)如表1所示，材料損傷參數(shù)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(fù)合材料材料參數(shù)

表2 材料損傷參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 不同鉆削階段結(jié)果分析

鉆削纖維增強(qiáng)基體復(fù)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(yīng)力、軸向力和扭矩變化情況。碳纖維增強(qiáng)體相較于芳綸纖維和玻璃纖維增強(qiáng)體有更小的破壞應(yīng)變，且更易被壓斷和折斷[11]。選擇主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min，軸向進(jìn)給速率為2mm/s，摩擦系數(shù)為0.2，觀察CFRP板料鉆削過程。圖3為鉆削過程的Mises應(yīng)力云圖，圖4為最大Mises應(yīng)力變化曲線?？梢钥闯?，Mises應(yīng)力隨著鉆頭下降逐漸向四周擴(kuò)展，材料性能退化采用Camanho參數(shù)退化模型，在鉆削過程中，某些單元剛度逐步退化，導(dǎo)致單元失效并被自動刪除[12]。當(dāng)鉆頭橫刃開始鉆入板料時，最大Mises應(yīng)力逐漸增大；隨著麻花鉆繼續(xù)鉆進(jìn)，最大Mises應(yīng)力在某一區(qū)間波動；當(dāng)鉆頭即將突破最后一層纖維層時，最大Mises應(yīng)力達(dá)到峰值(1331.68MPa)；麻花鉆繼續(xù)鉆進(jìn)，最大Mises應(yīng)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(yīng)力云圖

圖4 最大Mises應(yīng)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(zhì)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(fù)合板料底部，會對碳纖維造成撕扯，影響孔洞表面質(zhì)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(jié)合圖5和圖3可知，當(dāng)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(jìn)，軸向力產(chǎn)生較大波動，這種波動主要由碳纖維與增強(qiáng)體的不同性質(zhì)所致；當(dāng)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(dá)到峰值；當(dāng)麻花鉆繼續(xù)鉆進(jìn)，軸向力持續(xù)波動并繼續(xù)降低；當(dāng)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(jìn)給速率、鉆頭直徑和板料材質(zhì)等都會對扭矩大小產(chǎn)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(dāng)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(dá)到第一個較大值；麻花鉆繼續(xù)鉆進(jìn)，扭矩持續(xù)波動變化，當(dāng)麻花鉆鉆頭的主切削刃完全插入板料，扭矩達(dá)到最大值(0.18N·m)；隨著麻花鉆繼續(xù)鉆進(jìn)，扭矩也以波動的形式逐漸降低,當(dāng)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(zhuǎn)速對CFRP板料鉆削影響

選擇主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min，2000r/min，2500r/min，3000r/min，軸向進(jìn)給速率為2mm/s，鉆頭直徑為5mm，其他工藝參數(shù)保持不變，對CFRP板料進(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速會增加模擬過程中的材料去除率，導(dǎo)致軸向力降低[15]。實際加工過程中，主軸轉(zhuǎn)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(jìn)給速率對CFRP板料鉆削影響

選擇軸向進(jìn)給速率為2mm/s，4mm/s，6mm/s，8mm/s，主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min，鉆頭直徑為5mm，其他參數(shù)保持不變，對CFRP板料進(jìn)行鉆削分析，獲得進(jìn)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(jìn)給速率增加，軸向力和扭矩呈增大趨勢；同時，增大軸向進(jìn)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(zhì)量。

圖8 進(jìn)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(zhuǎn)速為1500r/min，軸向進(jìn)給速率為2mm/s，其他參數(shù)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?，軸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(jié)語

通過有限元技術(shù)模擬CFRP板料鉆削過程，研究了主軸轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)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(jié)論。

(1)鉆削過程中鉆頭突破最后一層纖維時Mises應(yīng)力會達(dá)到峰值。當(dāng)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(dá)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(zhuǎn)速增大呈減小趨勢，隨著軸向進(jìn)給速率增加而增大，隨鉆頭直徑增大呈增大趨勢。