碳纖維復合材料切削制孔軸向力仿真分析及缺陷實驗

鄭春龍

（意大利倍珞蒂機床上海分公司，上海 201906）

鉆削是碳纖維復合材料加工中較為常見的一種加工模式，利用鉆具的切削刃，在定位點上垂直于材料表面切削制孔。其中，鉆頭橫刃由于線速度較低，對材料的切削作用有限，更多的是利用擠壓和摩擦作用增加切削深度。由于碳纖維復合材料的強度較大，當軸向力達到一定程度時，一方面是導致材料出現斷裂、分層的情況，另一方面也加劇了刀具的磨損。因此，通過開展切削制孔軸向力分析，明確影響碳纖維復合材料切削制孔中軸向力大小的因素，有助于改進加工工藝。

1 碳纖維復合材料切削制孔軸向力仿真分析

1.1 建立刀具模型

1.1.1 刀體建模

運用有限元分析軟件ABAQUS 中的Part 模塊，可以建立常規的工件模型和刀具模型，如標準麻花鉆、大后角麻花鉆、燭芯鉆等。以標準麻花鉆為例，建模時首先輸入直徑參數，選擇圓柱實體，可以得到?10 鉆頭實體。然后標記出圓柱體的軸線，設定螺旋角β 為30°，得到環繞圓柱體的螺旋線。根據標記出的螺旋線，保持頂角118°不變，采用“切削刃等分-圓柱螺旋掃掠法”，制作容屑槽，即可得到想要的刀體模型。基本參數為：刀具直徑D 為10mm，鉆芯直徑d 為1.5mm，頂角弧度118°，刃厚m 為0.8mm，切削刃間距B 為6.8mm，截面內徑q 為9.2mm，標準麻花鉆的側視圖和俯視圖如圖1所示。

圖1 刀體模型的側視圖和俯視圖

1.1.2 鉆頭切削刃建模

麻花鉆的鉆頭切削刃，根據其作用的不同又可分為主切削刃和副切削刃兩種類型。在切削刃的建模方法上，常用的有參數化建模和后刀面刃磨兩種。前者是首先確定切削刃的基本參數，然后利用建模軟件畫出后刀面，即可得到主、副切削刃。后者是先磨削鉆頭，自然形成后刀面，再收集各項參數。本次仿實驗用中，選擇錐面刃磨法制作鉆頭切削刃模型，成型后刀面不容易出現“翹尾”情況。以標準麻花鉆模型為基礎，通過修改參數可分別得到傳統麻花鉆、大后角麻花鉆、臺階麻花鉆、燭芯鉆等模型，另外還建立了8mm 銑刀模型，共計5 種。

1.2 數值模擬前處理過程

模型準備完成后，運行ABAQUS 軟件，在新建文件中導入刀具幾何模型。在“設置”選項中，設定工件的參數，尺寸為24mm×24mm，型式為3D-deformable-Shell。保存之后，再打開軟件中的Property 模塊，設定復合材料的屬性，包括剪切模量、泊松比等。保存之后，打開軟件中的Composite Layup 模塊，建立復合材料。設置材料的單層厚度為0.30mm，方向依次是0°、45°、90°、-45°。考慮到實際切削加工中，刀具和工件之間會存在較大的摩擦力，因此在仿真實驗中也要設置摩擦系數。可調用該軟件的Interaction 模塊，設定摩擦系數為0.12。在該軟件的Load 模塊中，設置切削參數，轉速有三檔，分別是1500r/min、2000 r/min、3000 r/min；進給量有三檔，分別是100mm/min、200 mm/min、300 mm/min。

1.3 切削制孔軸向力仿真分析

仿真過程中，設定參數為主軸轉速3000r/min，軸向進給量100mm/min，收集隨著刀具位移增加軸向力的變化數據，并繪制二維坐標曲線。不同刀具的軸向力變化情況如圖2 所示。

圖2 不同類型刀具的軸向力對比

結合圖2 可知，兩種麻花鉆因為模型結構較為相似，所以軸向力變化規律也十分現實。鉆頭剛剛接觸工件時，軸向力有明顯的加大趨勢，并且在主切削刃完全沒入材料后，軸向力達到峰值。此時傳統麻花鉆的軸向力為75N，大后角麻花鉆的軸向力為68N。兩種刀具的位移量分別為2.8mm、2.5mm。之后隨著鉆頭繼續切削，軸向力開始減小，在刀具位移量5.7mm 和5.5mm 時，軸向力為0。燭芯鉆與螺旋銑在碳纖維復合材料切削制孔中，軸向力變化相似。燭芯鉆加工中，在刀具接觸材料表面，至進給位移0.8mm 時，軸向力不斷增加，在0.8mm 時達到峰值，為105N，之后刀具位移從0.8-1.5mm 之間，軸向力基本保持不變，在1.5-3.0mm 時，軸向力快速降低，最終為0。螺旋銑也基本保持了這一規律，但是在具體軸向力與刀具位移的具體關系上有一定變化。

結合仿真實驗數據，總結5 種刀具切削制孔時，在進給量和主軸轉速變化的情況下，最大軸向力結果如表1 所示。

表1 各種刀具進給量與主軸轉速對軸向力的影響（單位：N）

結合表1 可知，在刀具類型和進給量相同的情況下，主軸轉速越快，則軸向力越??；例如，大后角麻花鉆在進給量為100mm/min 時，主軸轉速為1500r/min 時，最大軸向力為90.4N，當轉速增加至2000r/min 時，最大軸向力為81.3N。在刀具類型和主軸轉速相同的情況下，進給量越大，則軸向力越大，兩者為正比關系。

2 碳纖維復合材料切削制孔的缺陷實驗

2.1 實驗內容

碳纖維復合材料在切削制孔中有較高概率出現缺陷，多發生在孔口、孔壁位置?，F以孔口缺陷為例，開展缺陷實驗分析。選擇一塊厚度為5mm 的碳纖維復合板，使用?10mm 的硬質合金刀具，設定切削參數為：鉆削速度30-120m/min，進給速度0.1-0.3mm/min。另外為防止切屑飛濺和有效降溫，使用水溶性切削液。實驗在一臺立式數控銑床上完成，主要參數如表2 所示。

表2 工作臺基本參數

2.2 孔口缺陷情況

孔口出現毛邊、分層是一種鉆削加工中常見的質量缺陷。分層因子是衡量制孔質量的一個核心指標，其值越大，說明孔口分層缺陷越嚴重。因此，明確影響分層因子的因素，可以有效預防孔口缺陷的發生。設定進給量為1000mm/min，作為定量。主軸轉速分別為1500r/min、2000 r/min、3000 r/min，對應的分層因子變化如圖3 所示。

圖3 主軸轉速對分層因子的影響

按照同樣的方法，設定主軸轉速為1500r/min，作為定量。進給量分別為100mm/min、175 mm/min、200 mm/min，對應的分層因子如圖4 所示。

綜合圖3、圖4 變化規律，主軸轉速為2000r/min，進給量為100mm/min 時，分層因子可以達到最小，切削制孔中出現孔口分層缺陷的概率較低，對提高制孔質量有積極幫助。

圖4 進給量對分層因子的影響

3 結論

在碳纖維復合材料的推廣使用中，如何提高其成孔加工質量是決定材料性能的關鍵因素。本文通過構建刀具模型，進行切削制孔軸向力的仿真分析，認為材料性能、刀具結構、切削參數等，對切削制孔軸向力的影響較為明顯。同時，通過開展缺陷實驗，進一步驗證了進給量、主軸轉速2 項指標對制孔缺陷的影響。今后在碳纖維復合材料的成孔工藝中，應合理設計切削參數，并選擇合適的加工刀具，才能在提高成孔質量的基礎上，降低刀具磨損。