纖維方向對CFRP鉆削溫度場分布和孔壁質量的影響

陳文成 王宏曉 段玉崗 孔維森 劉 曉

（1 上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

（2 西安交通大學機械工程學院，西安 710049）

文 摘 為研究CFRP不同纖維方向對其鉆孔溫度場分布和孔壁質量的影響，對不同纖維方向角處切削形式進行理論分析和ABAQUS仿真分析，并結合CFRP單向板、正交板和準各向同性板的鉆削溫度分布測試試驗與鉆削溫度場仿真分析。結果表明，碳纖維方向對鉆削溫度場的分布規律影響很大；通過電子顯微鏡和共聚焦顯微鏡對不同纖維方向角處孔壁質量觀測對比，發現纖維方向角在θ＝0°、θ＝45°和θ＝90°處孔壁質量較好，在θ＝135°處孔壁質量較差。

0 引言

碳纖維復合材料（CFRP）呈現各向異性［1］，這會對加工產生很大的影響，需要對纖維方向和鉆孔質量之間的關系作細致研究。

KOPLEV［2］等人基于快速落刀的方法進行實驗研究，認為碳纖維復合材料的切屑形成過程是由于材料的斷裂，并且最先得出切削表面質量與纖維的鋪設方向有關這一觀點。D.H.WANG［3］等人利用直角自由切削的方法對不同鋪層方向復合材料的切削機理進行了試驗研究，研究了不同纖維方向角對加工表面粗糙度的影響，同時得出纖維方向角為一定范圍時，復合材料切削加工過程中所受剪切力的經驗公式。LLIESCU［4］建立CFRP正交切削離散元分析模型，并分析不同纖維角度對切削力大小的影響。馬付建［5］等人針對碳纖維復合材料正交切削加工建立有限元分析模型，研究纖維角度對碳纖維復合材料切削加工表面形貌、切屑形貌和進給切削力的影響規律。大連理工大學的賈振元等人通過建立的單纖維切削模型對碳纖維增強樹脂基復合材料切削機理進行研究，發現纖維方向角與纖維變形深度的關系［6］。溫泉等人對CFRP制孔毛刺與撕裂缺陷形成機制研究發現，當劃切方向與纖維方向垂直時，劃切力最大，制孔加工時，纖維方向與刀具旋轉方向成鈍角的區域容易產生毛刺缺陷［7］。

本文針對CFRP，研究不同纖維方向對其鉆孔溫度場分布和孔壁質量的影響，對不同纖維方向角處切削形式進行理論分析和ABAQUS仿真分析，進行鉆削溫度分布測試試驗與鉆削溫度場仿真分析，通過電子顯微鏡和共聚焦顯微鏡對不同纖維方向角處孔壁質量觀測對比。

1 纖維方向與鉆削溫度場分布

在材料加工過程中，切削溫度反映出了在加工過程中刀具與材料的相互作用。鉆削過程中，刀具刃口對碳纖維的作用力會隨著不同的切削角度而不同。影響復合材料切削區域溫度的因素有切削熱源和切削熱傳導［8］。

1.1 理論分析

1.1.1 纖維方向與切削熱源

在鉆削過程中，纖維方向角在孔的不同位置呈現0°～180°的范圍不斷變化，且具有周期性。同時，不同鋪層方向的層合板，孔周邊每個位置還有不同的纖維方向角組合模式，而不同的纖維方向角處可以形成刀具與碳纖維截然不同的切削加工形式［9］，如圖1所示：

圖1（a）θ＝0°或θ＝180°，切削速度方向與碳纖維方向一致，呈平行切削形式；

圖1（b）0°＜θ＜90°，切削速度方向與碳纖維方向夾角銳角，呈順纖維切削形式；

圖1（c）θ＝90°，切削速度方向與碳纖維方向垂直，呈垂直切削形式；

圖1（d）90°＜θ＜180°，切削速度方向與碳纖維方向夾角鈍角，呈逆纖維切削形式。

CFRP單向板呈現各向異性，在鉆孔過程中，纖維方向角不斷變化（圖2）。纖維方向角θ＝0°的a處，切削過程主要依靠刀具切削刃在纖維和樹脂間界面所形成的擠壓作用，所需的切削力比較小。纖維方向角θ＝135°的b處，切削過程主要依靠刀具對前端材料的推擠作用。纖維方向角θ＝90°的c處，切削過程主要依靠刀具對纖維和樹脂的垂直剪切應力，所需切削力大。纖維方向角θ＝45°的d處，切削過程主要依靠刀具對纖維和樹脂剪切應力的分力［10］。

在切削加工過程中，可以認為所消耗的機械能即切削力所做的功可以全部轉換為切削熱能［11］，所以綜合CFRP不同纖維方向角處的切削形式，單位時間內由切削力產生的切削熱可以認為是［12］：

圖1 不同纖維方向角處的切削形式Fig.1 Cutting form at different fiber orientation angles

圖2 不同鉆削位置處的切削形式Fig.2 Cutting form at different drilling position

由公式（1）得出，在切削速度vc相同的條件下，產生的切削熱Pc與切削力Fc正相關，即不同纖維方向角度的不同切削形式導致產生不同的切削力，進而影響切削熱量。理論分析可得到纖維方向角θ＝90°處的切削熱最多，θ＝0°處切削熱最少。

1.1.2 纖維方向與切削熱傳導

碳纖維復合材料的導熱途徑主要包括：固相導熱和氣相導熱［13］。固相導熱主要是熱量通過碳纖維增強材料和樹脂基體進行傳遞，碳纖維的熱導率在101數量級上，而樹脂的熱導率只為10-1數量級左右。因此，碳纖維相比于樹脂對鉆削熱的傳導影響更大。由于CFRP層合板制作過程中的氣孔比較少且比較小，所以氣相導熱可以忽略不計。

由于CFRP的導熱性能與碳纖維有很大的關聯，那么纖維方向角的不同也一定會影響復合材料的導熱性能。對于單向板，其任意方向的面內導熱率有以下規律［14］：

式中，γ為熱流方向與纖維方向的夾角；Kc，p和Kc，t分別為CFRP平行纖維方向和垂直纖維方向的熱導率，Kc，p＞Kc，t。

通過公式（2）帶入不同的角度，可以得到不同位置處的熱導率：

當γ＝0°時，即c處，Kc，γ＞Kc，p，熱導率最大；

當γ＝90°時，即a處，Kc，γ＞Kc，t，熱導率最小；

當γ＝45°時，即b、d處，Kc，γ＞（Kc，t＋Kc，p）／2，熱導率處中間值。

圖3 熱流方向與纖維方向Fig.3 Heat flow direction and fiber direction

綜上所述，沿碳纖維方向的切削熱傳導量最大，對于單層CFRP來說，在纖維方向θ＝90°處導熱率最高，θ＝0°處導熱率最低，θ＝45°和θ＝135°處導熱率介于兩者之間。

1.2 仿真分析

本文通過建立CFRP層合板鉆削傳熱的二維shell有限元仿真分析模型，分析了鉆削溫度場分布與熱傳導過程；利用Composite Layups模塊創建復合材料層結構，每層根據要求設置不同的纖維方向，分別鋪設單向板、正交板和準各向同性板。層與層之間建立零厚度的cohesive單元。層合板基本仿真參數如表1所示。

表1 復合材料層合板基本仿真參數Tab.1 Basic simulation parameters of com posite lam inates

CFRP單向板、正交板和準各向同性板的鉆削溫度場分布及熱傳導仿真結果如圖4所示。對于單向板，θ＝90°處，鉆削熱量多，導熱效果好；θ＝0°處，鉆削熱少，導熱效果差；正交板切削熱集中在纖維方向角θ＝45°和θ＝135°處，此處的導熱效果也較好。準各向同性板在任意位置的鉆削熱量與熱傳遞效果均一致。

圖4 不同鋪層方向層合板溫度場分布與熱傳導仿真結果Fig.4 Temperature field distribution and heat conduction simulation of laminateswith different layer directions

1.3 試驗驗證

1.3.1 試驗方案

本文在機床主軸轉速為2 000 r／min，進給速度為30 mm／min的情況下，進行了不同纖維方向角處鉆削測溫試驗。材料為CFRP單向板、正交板以及準各向同性板，型號為T800／AG-80，具體參數見表2。如圖5所示，機床采用DMC635V，刀具采用直徑8 mm的硬質合金麻花鉆頭，溫度測試設備選用美國8通道OMEGA熱電偶溫度測試系統。如圖6所示，1、3、5和7四根熱電偶預埋在孔壁附近1 mm處，2、4、6、8熱電偶預埋在距孔壁3 mm處。

表2 CFRP層合板參數Tab.2 Parameters of CFRP lam inates

圖5 加工平臺與溫度測量系統Fig.5 Machining platform and temperaturemeasurement system

圖6 預埋熱電偶位置Fig.6 Position of pre-embedded thermocouples

1.3.2 結論與討論

1.3.2.1 單向板

本文中CFRP單向板試驗的溫度曲線如圖7所示。5通道測得纖維方向角θ＝90°的c處溫度最高，7通道測得纖維方向角θ＝45°的d處溫度次之，其次是3通道測得纖維方向θ＝135°的b處，1通道測得纖維方向角θ＝0°的a處，鉆削溫度最低。

為分析不同纖維方向角處的熱傳導特性，分別對1、3、5和7四個通道處鉆削溫度達到同一溫度值（50℃）時，2、4、6和8通道的溫度進行研究。如圖7（b）所示，分別記1和2通道、3和4通道、5和6通道、7和8通道的溫差為Δ12、Δ34、Δ56和Δ78。研究發現：Δ12＞Δ34＝Δ78＞Δ56，即纖維方向角θ＝0°處導熱性能最弱，纖維方向角θ＝90°處導熱性能最強，纖維方向角在θ＝45°和θ＝135°處導熱性能介于兩者之間。

1.3.2.2 正交板

CFRP正交板試驗，溫度曲線如圖8所示，纖維方向角θ＝135°和45°的b、d處鉆削溫度高于纖維方向角θ＝0°和90°的a、c處鉆削溫度。

圖7 CFRP單向板試驗結果Fig.7 Test results of CFRP unidirectional plate

1.3.2.3 準各向同性板

CFRP準各向同性板試驗，溫度曲線見圖9，得到a、b、c、d四處位置的鉆削溫度基本相同，各方向的熱傳導性能一致。

圖9 CFRP準各向同性板試驗結果Fig.9 Test results of CFRP quasi-isotropic plate

2 纖維方向與孔壁質量

2.1 CFRP切削有限元仿真

2.1.1 切削模型的建立

利用ABAQUS有限元仿真軟件，基于Hashin失效準則，建立CFRP單層板二維切削有限元仿真分析模型，分別設置0°、45°、90°和135°纖維方向，模擬分析不同纖維方向角處的切削應力場分布與損傷擴展。圖10為CFRP層合板二維切削模型，圖11為0°纖維方向宏／微觀示意圖。設置刀具前角γ為15°，后角α為10°，刀具進給量為4 mm。

圖10 二維切削模型Fig.10 Two-dimensional cuttingmodel

圖11 0°纖維方向模型宏／微觀示意圖Fig.11 Macro／micro schematic diagram of 0°fiber orientationmodel

2.1.2 切削仿真結果

圖12～圖15分別是纖維方向角在0°、45°、90°和135°處的切削示意圖與孔壁形貌照片、切削應力場分布與損傷擴展仿真結果。

圖12 0°纖維方向Fig.12 0°fiber direction angle

CFRP二維切削仿真結果與之前理論分析的四種切削形式非常吻合，刀具對CFRP的切削力主要沿纖維方向分布，除0°纖維方向角外，其他纖維方向角處的切削損傷都會沿著纖維向未加工區域擴展。根據仿真結果可知，輸出刀具受到x方向的支反力，得到不同纖維方向角處的切削力，如圖16所示，90°纖維方向角處切削力最大，0°纖維方向角處切削力最小，仿真結果與理論分析結果一致。

圖13 45°纖維方向Fig.13 45°fiber direction angle

圖14 90°纖維方向Fig.14 90°fiber direction angle

圖15 135°纖維方向Fig.15 135°fiber direction angle

圖16 不同纖維方向角處的切削力仿真結果Fig.16 Cutting force simulation results at different fiber orientation angles

2.2 孔壁表觀質量

圖17為利用電子顯微鏡觀察單向板孔壁形貌照片，圖18為共聚焦顯微鏡測量孔壁表面粗糙度值。從圖17與圖18可以看出，135°纖維方向角處的孔壁形貌呈鋸齒狀，粗糙度值較大，表面質量差；0°、45°和90°纖維方向角處的孔壁粗糙度值偏小，孔壁質量較好。

圖17 單向板不同纖維方向角處的孔壁質量照片Fig.17 Pictures of hole-wall quality at different fiber orientation angles of unidirectional plate

圖18 單向板不同纖維方向角處孔壁粗糙度值Fig.18 Roughness of hole-wall at different fiber direction angles of unidirectional plate

對于正交板，不同纖維方向角處的孔壁形貌和粗糙度如圖19，0°和90°纖維方向角處表面質量較好，45°和135°纖維方向角處表面質量較差。

CFRP準各向同性板孔壁形貌和粗糙度值見圖20，發現0°、45°、90°和135°纖維方向角處形貌交替變化，但135°纖維方向角處粗糙度仍較大，綜合分析可見，準各向同性板孔壁質量優于正交板。

圖19 正交板不同纖維方向角處的孔壁形貌和粗糙度Fig.19 Roughness of hole-wall at different fiber direction angles of orthogonal plate

圖20 準各向同性板不同纖維方向角的孔壁照片與粗糙度值Fig.20 Photographs and roughness values of hole-wall of quasi-isotropic plate with different fiber direction angles

3 結論

（1）通過對CFRP不同纖維方向角處切削形式的理論與仿真分析，結合鉆削溫度分布測試試驗與鉆削溫度場仿真分析，發現纖維方向對鉆削溫度場的分布規律影響很大，一是由于不同纖維方向角處的切削形式不同，導致鉆削熱產生量不同，即不同纖維方向角處切削溫度規律為：Tθ＝90°＞Tθ＝45°＞Tθ＝135°＞Tθ＝0°。二是由于單層復合材料熱量主要沿纖維方向傳導，導致不同纖維方向角處導熱性能的差異，即不同纖維方向角處熱導率規律為：Kθ＝90°＞Kθ＝45°＝Kθ＝135°＞Kθ＝0°。

（2）通過對不同纖維方向角處孔壁質量觀測對比發現，纖維方向角在θ＝0°、θ＝45°和θ＝90°處孔壁表面Ra在2.554～2.977μm，孔壁質量較好，在θ＝135°處孔壁表面Ra為5.772μm，孔壁質量較差。

（3）對于CFRP鉆削加工，要明確材料的鋪層方向，可根據碳纖維的不同排布方向，選取合適的刀具和加工參數，以達到控制切削區域溫度的目的，必要時可采用風冷或者酒精冷卻。其中，單向板鉆孔易形成橢圓孔，引起孔徑超差，需采取措施降低鉆削溫度。對于CFRP外形銑加工，可根據碳纖維方向，合理規劃刀具路徑軌跡，提高加工區域質量，減少毛刺撕裂缺陷。