碳纖維經編針織復合材料鉆孔過程有限元建模與實驗研究

陳曉川，卞顯力，韓 森

（東華大學機械工程學院智能制造研究所，上海201620）

1 引言

碳纖維經編針織復合材料是以雙軸向經編針織物為增強相再經樹脂復合而成。該材料不僅具有強度高、熱容量小等特點。而且由于針織紗對碳纖維的束縛作用，提高了復合材料的整體性能，而且該材料剪切強度更高且不易出現分層［1］。但該材料同時具有硬度大，力學性能呈現各向異性等特點，在切削加工過程中會加快刀具表面的磨損，難以保證工件的加工質量［2］。

在對碳纖維復合材料進行鉆削試驗的研究中，文獻［3］通過對單向碳纖維增強復合材料進行切削試驗研究，發現纖維方向與刀具運動方向平行時，會獲得更好的工件質量。文獻［4］提出材料性質、切削參數、刀具幾何參數等因素會影響碳纖維復合材料鉆削加工過程臨界軸向力的大小。而臨界軸向力的大小會影響材料的加工質量，當臨界軸向力小于鉆削軸向力時，材料會出現缺陷［5，6］。文獻［7］通過對比不同的涂層刀具鉆削加工試驗，發現涂層材料會影響鉆削切削力的變化。在碳纖維復合材料鉆削加工過程的研究中一般采用實驗方法進行宏觀分析，也可以使用有限元方法模擬鉆削加工過程。文獻［8］以小直徑麻花鉆為研究對象，對鉆削加工過程進行模擬分析，分析了小直徑麻花鉆鉆削時的受力和磨損情況，并與實驗結果進行對比驗證模型的正確性。文獻［9］以碳纖維復合材料作為研究對象，通過使用有限元的方法探究其鉆削加工過程，得到鉆削力的變化趨勢。

為了提高碳纖維經編針織復合材料的加工質量和效率，有必要對其鉆削加工過程進行分析。通過對碳纖維經編針織復合材料的細觀結構進行分析，利用有限元軟件ABAQUS建立了其有限元模型，并分析鉆削過程中轉速與進給速度對軸向力的影響，最后與實驗結果進行對比驗證模型的可行性，為工程應用提供了仿真方法和依據。

2 碳纖維經編針織復合材料結構分析

2.1 復合材料細觀結構

軸向經編針織物是由三部分組成，分別是經紗、緯紗和針織紗，其中經緯紗系統是由碳纖維束通過0°/90°的正交方式制成，而針織紗一般采用高強滌綸針織紗作為增強紗線，通過經編方式綁縛在碳纖維束鋪層的0°，90°和±θ°（30°≤θ°≤90°）方向上。其功能主要是防止經緯紗出現厚度方向的相對滑移進而保證織物結構的穩定。通過復合工藝將軸向經編針織物與樹脂進行復合，其中經紗、緯紗和針織紗將被樹脂粘固在一起，進而碳纖維經編針織復合材料制備完成。其三維幾何，如圖1所示。

圖1 碳纖維經編針織復合材料三維幾何圖Fig.1 Three-Dimensional Geometrical Diagram of Carbon Fiber Warp Knitted Composite

2.2 細觀結構簡化

由于軸向經編針織物細觀結構非常復雜，若直接采用細觀結構進行有限元分析將會造成計算效率的降低，所以有必要對復合材料進行細觀結構的簡化。

（1）基本假設

對復合材料進行細觀結構簡化之前，需要作以下假設［10］：

a紗線中，纖維是連續的且相互平行的。

b復合材料在復合成型時，其紗線完全浸潤且均勻地分布在樹脂基體之中。

c紗線與基體粘結完善，無相對位移。

d忽略殘余應力應變和環境對復合材料的影響。

（2）簡化方法

碳纖維經編針織復合材料是由4層軸向經編針織物采用正交的方法進行疊放后與樹脂進行復合制成。在對復合材料進行細觀結構建模時，可以把針織紗的力學性能轉化到樹脂上，進而提升樹脂對材料整體的力學作用。針織紗經轉化后，其體積也相應的轉入樹脂內。由于針織紗以相同的鋪排角綁縛在碳纖維束上，所以轉化后的樹脂（“基體”）其力學性能可以等效為單向復合材料進行求解。其細觀結構簡化分析思路，如圖2所示。

圖2 碳纖維經編針織復合材料細觀結構分析思路Fig.2AnalysisonTheMicrostructureofCarbonFiberWarpKnitting Composite

3 鉆削有限元仿真

3.1 碳纖維經編針織復合材料鉆削有限元模型建立

通過對復合材料細觀結構的簡化，可建立其有限元簡化模型。通過使用ABAQUS用戶子程序VUMAT定義材料本構模型，然后模擬碳纖維經編針織復合材料鉆削加工過程。圖3（a）為復合材料細觀簡化模型圖，其中材料的尺寸為10mm×10mm×4mm，經緯紗為10mm×2mm×1mm，基體部分為10mm×0.5mm×1mm。鉆頭材料是直徑為4mm的PCD麻花鉆，根據實際尺寸建立鉆頭有限元模型，如圖3（b）所示。

圖3 碳纖維經編針織復合材料鉆削有限元模型Fig.3 Finite Element Model of Carbon Fiber Warp Knitting Composite Drilling

3.2 材料參數

碳纖維束，樹脂以及PCD鉆頭的材料參數如表1、表2、表3所示，表4為轉化后樹脂（“基體”）的材料參數。

表1 碳纖維束的材料參數Tab.1 Material Parameters of Carbon Fiber Bundle

表2 樹脂材料參數Tab.2 Resin Material Parameters

表3 PCD鉆頭的材料參數Tab.3 Material Parameters of PCD Drill Bits

表4 “基體”的材料參數Tab.4 Material Parameters of the'Matrix'

其中E11、E22、E33是有限元模型中坐標方向為x，y，z的彈性模量，同理，G12、G23、G13是其xy、yz、xz方向二維平面內的剪切模量，ν12、ν23、ν13是其xy、yz、xz方向二維平面內的泊松比，ρ是材料的密度。

3.3 材料失效準則

在材料失效過程中，碳纖維材料與金屬材料有所不同，碳纖維復合材料在加工過程中經常伴隨著基體開裂，當纖維受拉時會出現纖維的斷裂破壞，當纖維受壓時會出現纖維的彎曲破壞。本文以Hashin準則作為判斷材料的失效標準，其失效參數如表5所示。

表5 碳纖維經編針織復合材料的Hashin失效準則參數Tab.5 Hashin Failure Criterion Parameters of Three-Dimensional Biaxial Warp Knitted Composites

3.4 有限元分析過程

鉆削過程屬于彈塑性分析，需要使用線性減縮積分單元，其中工件部分采用C3D4三維實體單元，鉆頭部分采用C3D8R剛體單元。為了方便讀取數據以及設置邊界條件，需在鉆柄中間設置參考點，對其施加主軸轉速和進給速度，相關切削參數如表6所示。鉆頭與復合材料的相互作用類型設置為“面面接觸”，其中切向摩擦系數為0.3；將“基體”和碳纖維束之間的接觸設置為粘結，碳纖維束之間的接觸設置為“通用接觸”。邊界條件，如圖4所示。

圖4 邊界條件設置圖Fig.4 Boundary Condition Setting Diagram

表6 切削參數的選擇Tab.6 Selection of Cutting Parameters

3.5 有限元結果分析

根據鉆削過程中鉆頭與工件的相互位置關系，可以將碳纖維經編針織復合材料鉆削仿真分為四個階段，如圖5所示。

圖5 鉆孔的各個階段示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Each Stage of Drilling

當主軸轉速n=500r/min，進給速度f=110mm/min時，鉆削過程中Z向軸向力變化曲線如圖6所示，從圖中可以看出：在a-b段，隨著鉆頭逐漸鉆進碳纖維經編針織復合材料，Z向軸向力曲線先增長劇烈，接著緩慢上升。這是因為在鉆削過程的初始階段只有鉆頭橫刃進行切削，此時軸向力的50%以上集中在橫刃處［11］；當鉆頭主切削刃完全進入復合材料中時，Z向軸向力曲線逐漸趨于穩定，如圖中b-c段所示；c-d段為鉆頭穿透復合材料底層階段，由于此時鉆削過程中的會產生較大振動，其軸向力變化趨勢具有較大的波動；d-e段為鉆頭完全穿透復合材料階段，此時軸向力的不斷降低直至為零。

圖6 仿真Z向軸向力隨時間的變化Fig.6 Simulation of Z-Direction Axial Force with Time

4 碳纖維經編針織復合材料鉆削實驗

4.1 鉆削過程實驗材料及數據采集過程

實驗以碳纖維經編針織復合材料作為鉆削對象，復合材料板厚度為4mm。實驗刀具是直徑為4mm的PCD標準麻花鉆頭，如圖7所示。

圖7 實驗刀具Fig.7 Experimental Tool

加工設備采用了上海第四機床廠研發的XH714型立式加工中心，其軸向力測量系統分別由測力儀、電荷放大器以及數據采集卡組成。鉆削過程中軸向力采集過程為：鉆頭產生的力信號通過測力儀轉化為電信號，再由電荷放大器放大為可測量電信號，并由數據采集卡轉換為計算機可識別的數字信號，其測量系統如圖8所示。最終通過切削力顯示系統記錄鉆削過程中X、Y、Z三個方向的軸向力數據。

圖8 軸向力測量系統Fig.8 Axial Force Measurement System

4.2 實驗結果與分析

主軸轉速n=500r/min，進給速度f=110mm/min時，碳纖維經編針織復合材料鉆削實驗所測軸向力曲線。通過對比圖9和圖6可以看出，仿真與實驗軸向力曲線變化趨勢一致，進而證明了仿真模型建立的準確性，如圖9所示。

圖9 實驗Z向軸向力變化Fig.9 Z-Direction Axial Force Variation in the Experiment

進給速度與主軸轉速對碳纖維經編針織復合材料鉆削過程Z向軸向力的影響情況，通過對比分析可以看出進給速度與主軸轉速均會影響軸向力的變化。當主軸轉速一定時，軸向力的大小與進給速度呈正相關，當進給速度一定時，軸向力的大小與主軸轉速呈負相關。在主軸轉速為500r/min時，將進給速度為20mm/min時的軸向力平均值與進給速度為50mm/min、80mm/min、110mm/min作對比可以看出，軸向力分別減小了13.4%、42.7%、55.7%；而在進給速度為20mm/min時，將主軸轉速為500mm/min時的軸向力平均 值 與 主 軸 轉 速 為1000mm/min、1500mm/min、2000mm/min、2500mm/min作對比可以看出，軸向力分別增大了8.5%、15.6%、21.4%、26.8%。通過分析進給速度與主軸轉速對軸向力的影響，可以看出，進給速度的影響要大于主軸轉速。在實際加工過程中，可以通過調節進給速度的大小進而減緩鉆削軸向力的變化趨勢，更有助于提高加工效率和加工質量，如圖10所示。

圖10 進給速度和主軸轉速對Z向軸向力的影響Fig.10 Effect of Feed Rate and Spindle Speed on Z-Direction Axial Force

5 結論

利用有限元軟件ABAQUS聯合其子程序VUMAT建立了碳纖維經編針織復合材料鉆削有限元模型，采用Hashin Damage破壞準則進行鉆削過程有限元仿真，并使用PCD麻花鉆對該復合材料進行鉆削實驗，結果顯示，有限元仿真Z向軸向力大小以及變化趨勢與實驗結果具有較好的一致性，驗證了模型的準確性，對實際鉆削具有一定指導作用。