基于有限元仿真的碳纖維復合材料螺旋銑孔研究

王明海 徐穎翔 姜慶杰

(沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，遼寧 沈陽110136)

碳纖維復合材料(carbon fibre reinforced plastics，CFRP)由于其輕質、高強度、高模量等卓越的力學性能，已經被廣泛地應用到航空、航天、汽車和輪船等行業中。但是，由于碳纖維復合材料硬度高、強度大、導熱性差、各向異性、層間強度低以及樹脂基體對溫度敏感等特點，屬于難加工材料，在鉆孔時易產生毛刺、分層、劈裂等缺陷，嚴重影響加工質量和精度，從而導致碳纖維復合材料零件報廢［1-3］。

在用傳統鉆削工藝進行復合材料制孔的過程中，由于鉆頭橫刃處轉速為0，橫刃區的材料完全靠鉆頭的推擠作用而形成切屑，因此軸向力將非常大。當軸向力超過層間結合力時，將發生分層現象。有文獻［4］指出，軸向力的50%以上集中在橫刃處，而且軸向力是產生分層的主要因素。M. S. Won 等人［5］采用預鉆先導孔的方法消除橫刃的影響，試驗結果表明，有先導孔時鉆削軸向力將大大減小，并且可以減小分層發生的幾率。

與傳統的鉆削工藝相比，螺旋銑孔采用了完全不同的加工方式。銑削的主運動是銑刀的旋轉運動，因此主切削力是作用于銑刀圓周切線方向的分力，其消耗功率最多。而軸向力是沿銑刀軸線方向的分力，其消耗功率較少;而在鉆削過程中，功率主要消耗在橫刃和兩個切削刃上，其中，橫刃所消耗的功率占主要部分，因此軸向力非常大，很容易導致復合材料的分層。由于螺旋銑孔減小了軸向力，從而可以提高孔的加工質量;其次，螺旋銑孔是斷續切削，有利于刀具和工件的散熱，從而降低了切削溫度;第三，螺旋銑孔屬于偏心加工，通過改變徑向偏移量可以實現一把銑刀加工一系列直徑的孔，不僅提高了加工效率，同時也大大減少了存刀數量和種類，降低了加工成本［6］。

目前，越來越多的學者使用有限元仿真的方法對復合材料切削過程進行研究，但是，絕大部分都局限于二維模型以及切削機理的分析［7-9］，與實際加工的三維切削過程仍有一些差別。本文首先針對螺旋銑孔的加工特點及刀具運動軌跡進行分析，再基于ABAQUS有限元軟件分別建立碳纖維復合材料螺旋銑孔和傳統鉆孔的三維模型，并且從軸向力和加工質量兩方面進行了對比和研究。

1 螺旋銑孔的運動學分析

螺旋銑孔作為一種新的工藝技術，在銑孔過程中，銑刀側刃與底刃同時參與切削，是鉆削與銑削的綜合體現。螺旋銑孔過程包括3 個基本運動:自轉運動——以銑刀軸線為旋轉軸的主運動、公轉運動——刀具繞孔中心的旋轉運動，以及沿軸線向下的進給運動。在這3 個運動的共同作用下完成整個螺旋銑孔過程［10］。

在傳統鉆孔過程中，鉆頭中心的進給運動始終沿軸線方向。但是在螺旋銑孔的加工過程中，銑刀中心的運動軌跡是一條螺旋曲線，進給方向隨時發生變化，未變形的切屑厚度也隨之改變，導致切削力也隨時間發生周期性的變化。由于銑刀的公轉速度遠小于自轉速度，因此在一個微小的切削過程中，銑刀中心的進給軌跡可近似認為是穩定的直線運動。假設n(r/min)表示主軸自轉速度，np(r/min)表示公轉速度，那么相應的角速度分別為:

其中ω(rad/s)為銑刀自轉角速度，ω1(rad/s)為銑刀公轉角速度。此外，假設N為銑刀齒數，銑刀直徑(半徑)為Dc(Rc)(mm)，加工孔的直徑(半徑)為Dh(Rh)(mm)。a(mm/r)為每公轉一周的軸向切深(進給量)，因此軸向進給速度fa(mm/min)為:

軸向每齒進給量sa(mm/齒)為:

在螺旋銑孔過程中，銑刀中心的運動軌跡是一條螺旋曲線，如圖1 所示。

因此，每公轉一周，銑刀中心移動的距離為fa/(npsinα)，那么銑刀中心沿螺旋曲線的進給速度fc(mm/min)為:

因此，圖1 中的頂角α 為:

根據螺旋銑孔的加工特點，頂角α 很小，因此可以近似認為tanα ≈α ≈sinα，那么進給速度fc為:

銑刀中心的每齒進給量st可以表示為:

銑刀走向每齒進給量sp為:

從式(7)和(8)可以看出，一旦銑刀和孔的直徑確定，每齒進給量就只與自轉速度和公轉速度有關?？梢?，對于螺旋銑孔來說，每齒進給量是一個關鍵的參數，不僅決定了螺旋銑孔的加工效率，而且直接影響孔的加工質量以及刀具壽命。下面提到的每齒進給量均指銑刀中心的每齒進給量［11］。

2 三維模型的建立

本文所加工孔的直徑為6 mm，螺旋銑孔過程中，刀具直徑與孔直徑的比例大約為55% ～90%，因此，選擇直徑為4 mm 的立銑刀。首先，通過三維建模軟件SolidWorks 建立一把直徑為4 mm 四齒銑刀模型，并導入到有限元軟件中。刀具材料選擇強度較高，抗沖擊，抗振動性能較好，耐磨性高的硬質合金YG8，密度為14.4 ～14.6 kg/m3，彈性模量為6.40 ×105MPa，泊松比為0.22。

碳纖維復合材料模型直接在有限元軟件中建立，碳纖維的鋪層角度為［0°/90°/45°/ -45°］2s，對稱鋪層以消除層間耦合效果，工件厚2 mm，共16 層，每一層的厚度相等，均為0.125 mm，所選材料性能如表1 所示，其中1、2、3 分別表示纖維方向、垂直纖維方向以及層間法線方向［12］。

表1 碳纖維復合材料性能參數

碳纖維復合材料的失效方式包括以下3 種:纖維的斷裂、基體開裂以及分層，為實現用有限元方法模擬碳纖維復合材料失效過程，選擇Hashin 損傷起裂準則來進行分析計算。碳纖維復合材料在Hashin 準則下的各參數值如表2 所示［12］。

表2 碳纖維復合材料損傷模型 MPa

在有限元仿真過程中，單元網格劃分的好壞直接影響到仿真的計算結果。網格劃分太疏，會導致計算結果不準確;網格劃分太密，不僅會大大延長計算時間，而且在一定程度下，繼續加密網格反而會造成沙漏等不良后果。此外，單元類型的選擇也起著至關重要的作用。本文中，碳纖維復合材料的單元類型為減縮積分下的八節點連續殼單元(SC8R)，并且在加工孔的周圍把網格加密，遠離孔的部分采用較疏的網格，這樣不僅可以達到優化計算結果的目的，還可以減少仿真所用的時間。銑刀的單元類型為4 節點線性四面體單元(C3D4)，刀刃部分也適當加密網格。在仿真過程中把刀具設置為剛體，忽略刀具的變形。螺旋銑孔裝配圖如圖2 所示。

為了更好地說明螺旋銑孔的優勢，建立鉆孔模型進行對比。鉆頭直徑為6 mm，相關參數的設置跟前面螺旋銑孔一致，碳纖維復合材料鉆孔裝配圖如圖3所示。

3 有限元仿真結果分析

為研究不同加工工藝和切削參數對制孔效果的影響，采用全面試驗的方法，分別分析了螺旋銑孔和傳統鉆孔下，不同主軸轉速、每齒進給量和每轉軸向切削深度對加工質量和軸向力的影響，并進行對比。試驗過程中的加工參數如表3 所示。

表3 螺旋銑孔和傳統鉆孔的切削參數選擇

本文選取切削軸向力和分層因子來衡量加工質量，分層因子Fd可由式(9)表示:

式中:Dmax為孔出口處破壞區域的最大直徑;D為實際預加工孔的直徑;分層因子Fd為兩者的比值，如圖4所示。

3.1 螺旋銑孔結果分析

固定每轉軸向切削深度a=0.1 mm/r，改變主軸轉速和每齒進給量，得到碳纖維復合材料螺旋銑孔軸向力F和分層因子Fd的變化曲線如圖5 和圖6 所示。從圖5 中可以看出，增大主軸轉速或減小每齒進給量都能夠減小軸向力的大小，而且每齒進給量對軸向力的影響更為明顯。在圖6 中，分層因子的變化曲線也有跟軸向力一樣的趨勢，但是變化幅度較小，這主要是因為螺旋銑孔的加工質量較好，屬于精加工，能夠有效地減小碳纖維復合材料孔出口分層問題。

固定主軸轉速n=3 000 r/min，每齒進給量st=0.03 mm/齒，觀察每轉軸向切削深度對軸向力F和分層因子Fd的影響如圖7 所示。從圖中可以看出，每轉軸向切削深度對軸向力和分層因子的影響程度很大，當每轉軸向切削深度為0.05 mm/r 時，軸向力和分層因子分別為96 N 和1.08;當每轉軸向切削深度為0.20 mm/r 時，軸向力和分層因子增大到197 N 和1.29，分別增加了105.21%和19.44%。因此，為了保證加工質量，應選擇較小的每轉軸向切削深度。

對比圖5、圖6 和圖7，得出在螺旋銑孔過程中，切削參數對軸向力和加工質量的影響順序為:每轉軸向切削深度＞每齒進給速度＞主軸轉速。

3.2 傳統鉆孔結果分析

圖8 和圖9 為不同切削參數下，碳纖維復合材料傳統鉆孔軸向力F和分層因子Fd的變化曲線。變化趨勢與螺旋銑孔中基本一致。隨著主軸轉速n的增加，軸向力和分層因子減小;隨著每齒進給量st的增加，軸向力和分層因子增加。而且，每齒進給量對軸向力和分層因子的影響大于主軸轉速。在主軸轉速2 000 r/min、每齒進給量0.05 mm/齒時，軸向力和分層因子有最大值213 N 和1.37;而在主軸轉速5 000 r/min、每齒進給量0.02 mm/齒時，軸向力和分層因子有最小值109 N 和1.20，相對于最大值分別降低了48.82%和12.41%。因此，在實際加工過程中，采用大的主軸轉速和小的每齒進給量有利于保證孔的加工質量。

3.3 對比分析

從圖5 和圖8 可以看出，在相同的切削參數下，碳纖維復合材料螺旋銑孔的軸向力均要比傳統鉆孔小，從而有利于改善其出口質量，如圖6 和圖9 所示。而且，隨著主軸轉速和每齒進給量增大時，螺旋銑孔的優勢更為明顯?？梢?，作為一種新的制孔工藝，螺旋銑孔能夠有效地減小碳纖維復合材料制孔過程中出現的問題。

4 結語

本文基于ABAQUS 有限元仿真，對比分析了不同加工工藝和切削參數對碳纖維復合材料制孔的影響。得到的結論如下:

(1)在碳纖維復合材料螺旋銑孔過程中，隨著主軸轉速的增加，軸向力和分層因子減小;隨著每齒進給量的增加，軸向力和分層因子增加;隨著每轉軸向切削深度的增加，軸向力和分層因子增加。切削參數對軸向力和分層因子的影響順序為:每轉軸向切削深度＞每齒進給速度＞主軸轉速。

(2)在碳纖維復合材料傳統鉆孔過程中，切削參數對軸向力和分層因子的影響規律與螺旋銑孔基本一致。采用大的主軸轉速和小的每齒進給量有利于保證加工質量。

(3)對比碳纖維復合材料螺旋銑孔和傳統鉆孔，無論是切削軸向力還是加工質量，螺旋銑孔的效果都比傳統鉆孔好。

［1］張厚江，陳五一，陳鼎昌.碳纖維復合材料的鉆削加工［J］.新技術新工藝，1998(5):16-18.

［2］Davis D C，Wilkerson J W，Zhu J，et al.A strategy for improving mechanical properties of a fiber reinforced epoxy composite using functionalized carbon nanotubes［J］. Composites Science and Technology，2011，71(8):1089-1097.

［3］Perret B，Schartel B，St?? K，et al.Novel DOPO-based flame retardants in high - performance carbon fibre epoxy composites for aviation［J］.European Polymer Journal，2011，47(5):1081-1089.

［4］Jain S，Yang D C H.Delamination-free drilling of composite laminates［J］. Journal of Engineering for Industry (United States)，1994，116(4):475-481.

［5］Won M S，Dharan C K H.Chisel edge and pilot hole effects in drilling composite laminates［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2002，124(2):242-247.

［6］秦旭達，陳仕茂，劉偉成，等. 螺旋銑孔技術在航空制造裝配業中的發展應用［J］.航空制造技術，2009(6):58-60.

［7］Santiuste C，Miguélez H，Soldani X.Out-of-plane failure mechanisms in LFRP composite cutting［J］. Composite Structures，2011，93(11):2706-2713.

［8］Soldani X，Santiuste C，Mu?oz-Sánchez A，et al.Influence of tool geometry and numerical parameters when modeling orthogonal cutting of LFRP composites［J］. Composites Part A:Applied Science and Manufacturing，2011，42(9):1205-1216.

［9］Mkaddem A，Demirci I，Mansori M E. A micro–macro combined approach using FEM for modelling of machining of FRP composites:cutting forces analysis［J］. Composites Science and Technology，2008，68(15):3123-3127.

［10］孫曉太. CFRP/鈦合金螺旋銑孔專用刀具優化與試驗研究［D］.天津:天津大學，2011.

［11］王海艷，難加工材料螺旋銑孔動力學研究［D］. 天津:天津大學，2012.

［12］Isbilir O，Ghassemieh E.Finite element analysis of drilling of carbon fibre reinforced composites［J］.Applied Composite Materials，2012，19(3-4):637-656.