碳纤维复合材料孔加工研究现状
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根据碳纤维复合材料的特性和制造加工中存在的问题,综述了碳纤维复合材料孔加工时加工工艺、钻头几何参数及其材料、机床振动、材料制备缺陷等因素对钻削加工损伤(尤其是分层损伤)的影响和抑制方法、钻削建模与仿真以及叠层孔加工等方面的研究最新进展,重点关注了钻削诱导的分层损伤形成机理以及一些特殊工艺,如振动辅助钻削、螺旋铣削孔加工、磁性胶体垫板孔加工技术和高速钻削技术等对碳纤维复合材料孔加工质量改善效果。
据报道,约70%以上的航天飞行器疲劳失效事故源自装配连接部分,其中80%以上的疲劳裂纹产生于连接孔处。复合材料结构件间的装配需大量孔加工,出、入口和孔内壁的加工损伤会严重削弱结构的抗破坏性,孔加工质量影响结构件的承载能力和服役时间,甚至导致严重的安全问题。切削参数选择不适当,加工时易产生各种损伤,如分层、纤维拔出和基体热降解等,因此,碳纤维复合材料孔加工过程的材料去除机理与损伤形成机理是碳纤维复合材料孔加工的主要研究方向。

碳纤维复合材料孔加工研究现状

(1)轴向力

分层损伤常形成于孔出口处,碳纤维复合材料孔加工出口处的分层损伤与钻孔轴向力密切相关,通过控制轴向力可有效减小孔出口处的缺陷。对于碳纤维复合材料,为减小孔加工出口处的分层损伤,钻削轴向力一定不能超过临界轴向力。为降低钻削轴向力,研究者提出了与切削条件相关的钻削轴向力经验模型,并进一步研究了孔加工出口处与钻头下方未钻削层厚度相关的临界轴向力模型。其中,Hocheng H.等通过线弹性断裂力学方法来求解临界轴向力,将碳纤维复合材料视作各向同性材料处理,采用解析方法确定分层时临界轴向力。在此基础上,Rahme P.等针对厚碳纤维树脂复合材料大直径孔加工时的分层缺陷进行研究,将参与加工的麻花钻刀具几何分解为横刃挤压区和主切削刃两个区域,并分别确定分层时的临界钻削轴向力,提出了与每齿进给率相关的钻削轴向力解析模型,以获得分层时的临界进给率。这一速率小于碳纤维复合材料最小切屑厚度所对应的进给率,实验发现:采用临界进给率加工会导致出口处层合板树脂基体材料的退化(见图1a),而采用最小切屑厚度对应的进给率加工将减小出口处的分层缺陷,但不会完全消除(见图1b)。

(a)
(b)

图1 不同每齿进给率时碳纤维复合材料孔加工出口处的加工形貌(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

Y.Karpat等采用双顶角聚晶金刚石刀具研究钻削加工单向碳纤维复合材料的力学特性,在有关学者与碳纤维孔加工出口缺陷有关的“临界轴向力”模型基础上,提出了基于双顶角钻头钻削加工多向碳纤维复合材料层合板的力学模型。如图2a所示,将孔加工周期分为7个阶段(转速5000rpm,进给率 0.04mm/r),点(Ⅰ)对应钻头横刃,完全钻入材料,点(Ⅱ)指示第一切削刃OA,全部钻入孔内,这一阶段(点Ⅰ-点Ⅱ)钻削轴向力快速增长,而扭矩增加较小,这是由于横刃距离刀具轴线较近;当第二钻削刃AB钻入孔内,轴向力的增长率降低,主要是因为第二切削刃钻削角减小(β<α),导致切屑减薄;在第二切削刃完全钻入孔内时其轴向力达到峰值,此后在横刃靠近层合板底部(点Ⅳ)之前轴向力几乎不变;第三钻削刃不传递任何轴向力,但扭矩在其钻入后达到最大;在横刃(Ⅳ-Ⅴ)和第一切削刃(Ⅴ-Ⅵ)先后钻出层合板后,轴向力以与钻入时相同的速率迅速减小,但扭矩几乎不变;随后(Ⅵ-Ⅶ)时轴向力和扭矩继续减小,直至钻头完全退出加工。通过上述钻削轴向力分析可知:稳定钻削时,第一钻削刃轴向力为FⅡ-FⅠ,同理,第二钻削刃轴向力为FⅢ-FⅡ。通过所建立的钻削力模型可优化刀具几何参数(横刃长度和钻削角,第一、二钻削刃长度和钻削角等)与钻削参数(如进给率)。双顶角金刚石钻头几何曲线如图2b所示,其中OO’为横刃,OA为第一切削刃,AB为第二切削刃,BC为第三切削刃。
(a)双顶角金刚石钻头的钻削轴向力与扭矩测量曲线
(b)双顶角金刚石钻头几何曲线

图2(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(a)未回退 (b)完全回退 (c)部分回退
图3 不同啄钻方式
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I.Rahamathullah等针对碳纤维复合材料层合板在直径0.5mm以下、深径比4-5倍以上孔加工时出现各种缺陷等问题,通过转速与进给的五水平全因子设计方法,采用啄钻方式研究了直径0.32mm、深径比4-5倍的微孔长径深钻削加工,建立了关于钻削轴向力和扭矩的幂定律回归模型,并与实验结果吻合良好。通过比较完全回退啄钻和部分回退啄钻方式(见图3)发现,部分回退啄钻可以缩短总加工时间,提高了生产效率;出口处的尺寸误差小于入口处,出口处分层因子大于入口处,表明出口处推压分层是微钻削的主要损伤形式;高主轴转速(40000rpm)的孔加工质量较好。

(2)刀具试验

C.C.Tsao采用不同类型的阶梯—套料钻 (见图4)进行碳纤维复合材料孔加工试验研究,分析了钻削参数(如直径比、进给率、主轴转速)对钻削CFRP轴向力的影响规律。研究发现,阶梯—套料锯齿钻的轴向钻削力最大,影响轴向钻削力的两个主要切削参数为直径比和进给率,阶梯—套料钻的钻削力随钻头直径比减小或进给率增大而增大;直径比0.74mm/mm、低进给率8mm/min和高转速1200rp/min是阶梯—套料钻加工CFRP的最佳钻削参数组合。
(a)阶梯—套料麻花钻
(b)阶梯—套料锯齿钻
(c)阶梯—锯齿三尖钻

图4 不同类型阶梯—套料钻(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

王明海等针对麻花钻在钻削碳纤维复合材料产生的各种制造缺陷,采用顶角83°、螺旋角10°的小角度螺旋槽钻头替代麻花钻进行碳纤维复合材料孔加工。对比加工质量可以发现,在相同工艺参数下,相较于麻花钻,小角度螺旋槽钻头显著改善了碳纤维复合材料的孔加工质量(见图5),这主要是由于角度螺旋槽钻头的钻削轴向力小于麻花钻。

(a)小角度螺旋槽钻头
(b)麻花钻


(c)麻花钻钻孔表面质量
(d)小角度螺旋槽钻头钻孔表面质量

图5 螺旋槽钻头与麻花钻及其出口表面质量
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(3)建模与仿真
碳纤维复合材料损伤检测非常昂贵,且有时需要破坏性检测技术。因此,有必要开发模拟工具来分析钻削过程中的损伤机理。但是,很少有文献涉及切削过程的模拟,且大多数模型关注二维直角切削,尽管二维钻削模型能大幅减小计算成本,但无法实现面外失效,也无法模拟准各向同性。受仿真软件复杂性和计算成本的限制,钻削过程三维模拟仍是一项重要挑战。N.Feito等通过用户子程序VUMAT引入三种形式的基于Hou准则的碳纤维复合材料层内失效模型:纤维断裂失效、基体开裂及压碎失效,层间失效则采用失效单元。在此基础上,通过定义基于正应力和剪应力的损伤萌生准则以及基于能量耗散(断裂能)的损伤演变定律。在平衡计算成本与精度的前提下,通过预制两种不同钻削深度(分别对应实验测得的最大钻削力深度和孔出口附近分层损伤萌生处的深度)孔的简化模型(见图6a),大幅降低碳纤维复合材料孔加工模拟的计算成本,与完整的钻削模型结果进行对比发现,简化钻削模型的分层因子比完整模型略高,表明简化模型在预测分层损伤上较为保守。众所周知,分层因子随轴向力的增加而增大,但研究发现在钻削轴向力足够大时,分层因子不再随轴向力而增大(见图6b)。利用简化的钻削模型研究叠层顺序对分层缺陷的影响,发现准各向同性[45/-45/0/90]4和[90/0/45/-45]4层合板表现为相似的分层因子。
(a)简化钻削模型
(b)钻削轴向力与分层因子间的关系

图6(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

鲍永杰等采用硬质合金麻花钻进行碳纤维复合材料孔加工时温度场研究与分析,并借助有限差分法构建温度场模型,进行相关试验验证,即通过预埋K型热电偶的方法获取孔加工出口处附近纤维方向上不同加工区域的温度,用红外测温仪测量出口处的温度场分布,并与试验结果取得了很好的一致性。研究发现,碳纤维复合材料孔加工时温度分布具有方向特性,温度场在出口处表现为椭圆形分布,碳纤维方向与椭圆长轴平行;在横刃刚钻出工件时,椭圆长轴上的温度分布为单峰变化规律,在主切削刃完全钻出工件时,椭圆长轴上的温度变化曲线呈双峰分布,最高温度出现在主切削刃中点位置附近。

(4)加工方式

振动辅助钻削(VAD)可降低钻削碳纤维复合材料引起的热和机械损伤。A.Sadek等采用高幅低频型(<200Hz,<0.6mm)振动辅助钻削(见图7)碳纤维复合材料,研究了工艺参数(转速、进给、频率和幅值)对孔加工质量的影响。研究发现,VAD的不连续切削使切削能得以重新分配,改善了钻削工艺的热性能,大幅降低了钻削轴向力。高幅低频型振动辅助钻削优化工艺范围为高转速、中低进给和高频的组合,优化的VAD可使切削温度降低50%,轴向力减小40%,在不影响生产率条件下获得无分层损伤的孔。此外,为解决加工质量与生产效率间对立矛盾的问题,张林波等引入混合变参数振动辅助钻削碳纤维复合材料的新工艺,并基于碳纤维复合材料孔加工分层临界轴向力和钻削轴向力理论模型,在孔加工起始阶段采用较大的进给率和定参数振动方式;随着待加工切削层厚度的减小,分层临界力急剧降低,此时根据计算模型结果(见图8),实时优化孔加工参数和振动参数,从而实现了碳纤维复合材料无分层的混合变参数振动孔加工工艺。
(a)
(b)

图7 振动辅助钻削系统(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图8 孔加工轴向力与分层临界力随碳纤维复合材料板层数的关系曲线
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王奔根据以铣代钻加工方法,采用螺旋铣削孔加工技术(见图9a)加工碳纤维复合材料,并与传统钻削孔加工工艺进行孔加工质量对比。试验结果对比发现,相较于传统钻削孔加工,螺旋铣削孔加工工艺可有效降低钻削区域的温度,温度降幅达70℃,这主要是由于螺旋铣削为非连续性加工,较易排屑。螺旋铣削孔加工改善了孔加工过程中切削热和切削力对加工损伤的作用(见图9b和图9c),能显著降低碳纤维复合材料孔加工缺陷。此外,该工艺可改变工具轴线与孔加工轴线的偏心距,获得不同孔径的孔,因此在孔加工孔径上具有灵活的适应性。
H.Hocheng等针对垫板技术在平板型碳纤维复合材料构件钻削加工的局限性,提出了一种性价比较高的磁性胶体垫板技术,解决了曲面或中空结构的孔加工分层损伤问题,其概念原理见图10。磁流体与铁粉、聚合物胶体混合置于待加工的管状复合材料样件上,在钻头夹盘上电磁铁通电后对管内磁流体产生吸引作用,从管外部孔加工时会在管内形成向上的支撑力,以抑孔加工加工时钻头下面层合板向下的弯曲变形,从而减小层合板的弯曲变形和分层的进一步扩展。实验结果表明:分层缺陷降低程度随着电流的增大而增加;添加足够的铁粉对抑制分层缺陷具有明显作用,而添加过量铁粉会降低胶体对分层缺陷的抑制作用,铁粉与胶体的最佳体积比为1:3。针对短的加工周期,较快的进给率会引起大的轴向力和严重的分层缺陷,因此要施加较大的电流抑制孔加工出口的缺陷,采用此方法对分层缺陷的缩减率为60%-80%。
(a)孔加工原理
(b)螺旋铣削
(c)钻削

图9 碳纤维复合材料螺旋铣削孔加工原理与孔出口形貌(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图10 管状试样孔加工磁性胶体垫板技术原理(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(5)机床振动影响

机床振动(尤其是电主轴的振动)对零部件加工表面质量、加工精度及刀具耐用度有重要影响。陈璐等基于Labview软件开发了一套实时监测和控制机床主轴振动的测试系统,通过对碳纤维复合材料钻孔过程进行监测与分析。经主轴振动信号的时频、频谱分析可知,钻削力是引起主轴强迫振动的主要因素,电主轴转速3000r/min、6000r/min、11000r/min时振幅出现奇异现象,即共振;振动幅值随主轴转速减小、进给量增大及刀具半径增大而增大。

(6)制备缺陷影响

王奔等考察了碳纤维复合材料制备中形成的缺陷对钻孔出口质量的影响规律,并提出一种控制预浸料固化温度模拟制造缺陷的方法,研究了固化温度与铺层方式对制造质量的影响。结果发现,孔加工出口处表面质量与材料的固化温度密切相关,当材料固化温度高于140℃时,单纤维层的孔加工质量较佳(见图11),而叠层方式为0°/90°的加工材料,因其较大的剩余刚度,孔加工时无内部缺陷扩展的最低固化温度为100℃。
(a)θ=80℃
(b)θ=100℃

(c)θ=120℃
(d)θ=140℃

图11 固化温度对碳纤维复合材料孔加工出口质量的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(7)叠层结构孔加工

M.Montoya等研究了金刚石涂层/未涂层硬质合金刀具钻削碳纤维复合材料/铝合金叠层结构的刀具磨损机制以及刀具几何变化对孔加工轴向力的影响。实验发现:刀具的磨损形式有磨料磨损和粘着磨损两种,由于存在强耐磨性碳纤维,磨料磨损是刀具最主要的磨损机制;随着孔加工数量的增加,钻削轴向力随着刀具的磨损不断增加,孔加工质量逐渐下降;采用金刚石涂层刀具孔加工时有较小的后刀面磨损和轴向力以及较好的孔加工质量(见图12Wang Xin等采用金刚石涂层双顶角钻头加工碳纤维复合材料/铝叠层结构材料,研究了钻削参数对轴向力、钻削温度、孔径和孔表面质量。研究发现,对于CFRP和铝合金,钻削轴向力与进给速率几乎成正比,并随主轴转速增加略微升高;钻削温度随主轴转速的提高而升高,但与进给速度相反。此外,碳纤维复合材料层的孔径总是大于Al层,高主轴钻速可以减小CFRP与Al层孔径差。
(a)第1个孔
(b)第250个孔

图12 CFRP孔壁形貌(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

为更好理解碳纤维复合材料叠层结构孔加工刀具磨损机制和开发针对碳纤维叠层结构的新钻削刀具,Wang等研究了不同涂层刀具分别钻削碳纤维复合材料、钛合金和碳纤维复合材料/钛合金叠层结构磨损机制。研究发现:在钻削碳纤维复合材料时,主要为切削刃的圆化磨损;在钻削钛合金时,主要为刃口崩碎和后刀面磨损;超硬涂层硬质合金钻头较未涂层硬质合金刀具有更长的使用寿命。
Park等分别采用硬质合金和PCD钻头加工碳纤维复合材料/钛合金叠层结构,采用不同的微观显微镜分析其磨损机制。研究表明:随着钻孔数量的增加,两种刀具产生的钻削力都逐渐增加,硬质合金刀具高转速下产生的钻削力较低转速下增加得快,PCD钻头的钻削力随孔加工数量增加不明显。硬质合金钻头上观察到更多的钛合金粘着,在其切削刃上未发现明显的崩损,但在高转速下接近棱边的切削刃出现微崩损。硬质合金刀具的磨损表现为沿切削刃光滑而均匀的磨损模式,在高转速下,由于较高的切削温度,磨损主要在后刀面上,在低转速下切削刃和后刀面磨损长度接近。PCD钻头在碳纤维复合材料叠层材料加工时的耐磨损性优于硬质合金钻头,但是钻削钛合金时由于PCD刀具脆性特性在接近钻头棱边的切削刃段出现崩损、裂缝。
王豪等分别研究了不同工艺参数与钻头工具对碳纤维复合材料/铝合金叠层孔加工表面光洁度、加工精度和出口毛刺的影响规律。研究发现,工艺参数对孔加工精度影响不大,刀具直径对保证加工精度却至关重要;加工质量随进给量增加而降低,主轴转速的影响较小,但较小的进给量会加快钻头的磨损和降低钻孔效率,对于碳纤维复合材料/铝合金叠层孔加工参数优选中高转速与较小进给量的组合;对刀具结构而言,三尖钻较麻花钻在加工精度、表面质量及出口缺陷控制方面优势显著。

小结

本文综述了碳纤维复合材料孔加工在加工工艺、钻头几何参数及机床振动、材料制备缺陷等对钻削分层的影响以及抑制方法、叠层结构孔加工等方面的最新进展,重点关注了钻削诱导的分层损伤相关的机理,即钻削轴向力与分层损伤的经验模型。振动辅助钻削、螺旋铣削孔加工、磁性胶体垫板孔加工技术和高速钻削技术等特殊工艺可以显著改善碳纤维复合材料孔加工质量。
孔加工时分层损伤占碳纤维复合材料报废构件的比例很大,而加工参数不合适以及刀具磨损是引起各类加工损伤的重要原因,因此合理选择刀具及优化加工工艺对于改善碳纤维复合材料加工质量十分重要,可以为碳纤维复合材料高效、低损伤孔加工提供理论与实验指导,有助于优化碳纤维复合材料加工条件获得更好的加工表面质量、最低的损伤程度以及延长的刀具寿命,从而改善其可加工性。
本文作者:重庆工业职业技术学院 王俊洲
原载:《工具技术》2017年第8期
上载于:2017-10-17 17:53:06

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