纖維方向?qū)FRP鉆削溫度場分布和孔壁質(zhì)量的影響

陳文成 王宏曉 段玉崗 孔維森 劉 曉

（1 上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

（2 西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049）

文 摘 為研究CFRP不同纖維方向?qū)ζ溷@孔溫度場分布和孔壁質(zhì)量的影響，對不同纖維方向角處切削形式進(jìn)行理論分析和ABAQUS仿真分析，并結(jié)合CFRP單向板、正交板和準(zhǔn)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(jié)果表明，碳纖維方向?qū)︺@削溫度場的分布規(guī)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(zhì)量觀測對比，發(fā)現(xiàn)纖維方向角在θ＝0°、θ＝45°和θ＝90°處孔壁質(zhì)量較好，在θ＝135°處孔壁質(zhì)量較差。

0 引言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）呈現(xiàn)各向異性［1］，這會對加工產(chǎn)生很大的影響，需要對纖維方向和鉆孔質(zhì)量之間的關(guān)系作細(xì)致研究。

KOPLEV［2］等人基于快速落刀的方法進(jìn)行實驗研究，認(rèn)為碳纖維復(fù)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(zhì)量與纖維的鋪設(shè)方向有關(guān)這一觀點(diǎn)。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(fù)合材料的切削機(jī)理進(jìn)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(fù)合材料切削加工過程中所受剪切力的經(jīng)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(fù)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(fù)合材料切削加工表面形貌、切屑形貌和進(jìn)給切削力的影響規(guī)律。大連理工大學(xué)的賈振元等人通過建立的單纖維切削模型對碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料切削機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)纖維方向角與纖維變形深度的關(guān)系［6］。溫泉等人對CFRP制孔毛刺與撕裂缺陷形成機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(zhuǎn)方向成鈍角的區(qū)域容易產(chǎn)生毛刺缺陷［7］。

本文針對CFRP，研究不同纖維方向?qū)ζ溷@孔溫度場分布和孔壁質(zhì)量的影響，對不同纖維方向角處切削形式進(jìn)行理論分析和ABAQUS仿真分析，進(jìn)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(zhì)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(fù)合材料切削區(qū)域溫度的因素有切削熱源和切削熱傳導(dǎo)［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(xiàn)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(xiàn)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(yīng)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(yīng)力的分力［10］。

在切削加工過程中，可以認(rèn)為所消耗的機(jī)械能即切削力所做的功可以全部轉(zhuǎn)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(nèi)由切削力產(chǎn)生的切削熱可以認(rèn)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(chǎn)生的切削熱Pc與切削力Fc正相關(guān)，即不同纖維方向角度的不同切削形式導(dǎo)致產(chǎn)生不同的切削力，進(jìn)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(dǎo)

碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱途徑主要包括：固相導(dǎo)熱和氣相導(dǎo)熱［13］。固相導(dǎo)熱主要是熱量通過碳纖維增強(qiáng)材料和樹脂基體進(jìn)行傳遞，碳纖維的熱導(dǎo)率在101數(shù)量級上，而樹脂的熱導(dǎo)率只為10-1數(shù)量級左右。因此，碳纖維相比于樹脂對鉆削熱的傳導(dǎo)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(dǎo)熱可以忽略不計。

由于CFRP的導(dǎo)熱性能與碳纖維有很大的關(guān)聯(lián)，那么纖維方向角的不同也一定會影響復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。對于單向板，其任意方向的面內(nèi)導(dǎo)熱率有以下規(guī)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(dǎo)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(dǎo)率：

當(dāng)γ＝0°時，即c處，Kc，γ＞Kc，p，熱導(dǎo)率最大；

當(dāng)γ＝90°時，即a處，Kc，γ＞Kc，t，熱導(dǎo)率最??；

當(dāng)γ＝45°時，即b、d處，Kc，γ＞（Kc，t＋Kc，p）／2，熱導(dǎo)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(dǎo)量最大，對于單層CFRP來說，在纖維方向θ＝90°處導(dǎo)熱率最高，θ＝0°處導(dǎo)熱率最低，θ＝45°和θ＝135°處導(dǎo)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(dǎo)過程；利用Composite Layups模塊創(chuàng)建復(fù)合材料層結(jié)構(gòu)，每層根據(jù)要求設(shè)置不同的纖維方向，分別鋪設(shè)單向板、正交板和準(zhǔn)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(shù)如表1所示。

表1 復(fù)合材料層合板基本仿真參數(shù)Tab.1 Basic simulation parameters of com posite lam inates

CFRP單向板、正交板和準(zhǔn)各向同性板的鉆削溫度場分布及熱傳導(dǎo)仿真結(jié)果如圖4所示。對于單向板，θ＝90°處，鉆削熱量多，導(dǎo)熱效果好；θ＝0°處，鉆削熱少，導(dǎo)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(dǎo)熱效果也較好。準(zhǔn)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?qū)雍习鍦囟葓龇植寂c熱傳導(dǎo)仿真結(jié)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(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r／min，進(jìn)給速度為30 mm／min的情況下，進(jìn)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(zhǔn)各向同性板，型號為T800／AG-80，具體參數(shù)見表2。如圖5所示，機(jī)床采用DMC635V，刀具采用直徑8 mm的硬質(zhì)合金麻花鉆頭，溫度測試設(shè)備選用美國8通道OMEGA熱電偶溫度測試系統(tǒng)。如圖6所示，1、3、5和7四根熱電偶預(yù)埋在孔壁附近1 mm處，2、4、6、8熱電偶預(yù)埋在距孔壁3 mm處。

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

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

圖6 預(yù)埋熱電偶位置Fig.6 Position of pre-embedded thermocouples

1.3.2 結(jié)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(dǎo)特性，分別對1、3、5和7四個通道處鉆削溫度達(dá)到同一溫度值（50℃）時，2、4、6和8通道的溫度進(jìn)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(fā)現(xiàn)：Δ12＞Δ34＝Δ78＞Δ56，即纖維方向角θ＝0°處導(dǎo)熱性能最弱，纖維方向角θ＝90°處導(dǎo)熱性能最強(qiáng)，纖維方向角在θ＝45°和θ＝135°處導(dǎo)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(jié)果Fig.7 Test results of CFRP unidirectional plate

1.3.2.3 準(zhǔn)各向同性板

CFRP準(zhǔn)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(dǎo)性能一致。

圖9 CFRP準(zhǔn)各向同性板試驗結(jié)果Fig.9 Test results of CFRP quasi-isotropic plate

2 纖維方向與孔壁質(zhì)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(zhǔn)則，建立CFRP單層板二維切削有限元仿真分析模型，分別設(shè)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(yīng)力場分布與損傷擴(kuò)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(shè)置刀具前角γ為15°，后角α為10°，刀具進(jìn)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(jié)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(yīng)力場分布與損傷擴(kuò)展仿真結(jié)果。

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

CFRP二維切削仿真結(jié)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(qū)域擴(kuò)展。根據(jù)仿真結(jié)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(jié)果與理論分析結(jié)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(jié)果Fig.16 Cutting force simulation results at different fiber orientation angles

2.2 孔壁表觀質(zhì)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(zhì)量差；0°、45°和90°纖維方向角處的孔壁粗糙度值偏小，孔壁質(zhì)量較好。

圖17 單向板不同纖維方向角處的孔壁質(zhì)量照片F(xiàn)ig.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(zhì)量較好，45°和135°纖維方向角處表面質(zhì)量較差。

CFRP準(zhǔn)各向同性板孔壁形貌和粗糙度值見圖20，發(fā)現(xiàn)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(zhǔn)各向同性板孔壁質(zhì)量優(yōu)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(zhǔn)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(jié)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(jié)合鉆削溫度分布測試試驗與鉆削溫度場仿真分析，發(fā)現(xiàn)纖維方向?qū)︺@削溫度場的分布規(guī)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(dǎo)致鉆削熱產(chǎn)生量不同，即不同纖維方向角處切削溫度規(guī)律為：Tθ＝90°＞Tθ＝45°＞Tθ＝135°＞Tθ＝0°。二是由于單層復(fù)合材料熱量主要沿纖維方向傳導(dǎo)，導(dǎo)致不同纖維方向角處導(dǎo)熱性能的差異，即不同纖維方向角處熱導(dǎo)率規(guī)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(zhì)量觀測對比發(fā)現(xiàn)，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(zhì)量較好，在θ＝135°處孔壁表面Ra為5.772μm，孔壁質(zhì)量較差。

（3）對于CFRP鉆削加工，要明確材料的鋪層方向，可根據(jù)碳纖維的不同排布方向，選取合適的刀具和加工參數(shù)，以達(dá)到控制切削區(qū)域溫度的目的，必要時可采用風(fēng)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(jù)碳纖維方向，合理規(guī)劃刀具路徑軌跡，提高加工區(qū)域質(zhì)量，減少毛刺撕裂缺陷。