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      基于有限元仿真的碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔研究

      2015-04-25 06:07:36王明海徐穎翔姜慶杰
      制造技術(shù)與機床 2015年3期
      關(guān)鍵詞:進給量銑刀碳纖維

      王明海 徐穎翔 姜慶杰

      (沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室,遼寧 沈陽110136)

      碳纖維復(fù)合材料(carbon fibre reinforced plastics,CFRP)由于其輕質(zhì)、高強度、高模量等卓越的力學(xué)性能,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到航空、航天、汽車和輪船等行業(yè)中。但是,由于碳纖維復(fù)合材料硬度高、強度大、導(dǎo)熱性差、各向異性、層間強度低以及樹脂基體對溫度敏感等特點,屬于難加工材料,在鉆孔時易產(chǎn)生毛刺、分層、劈裂等缺陷,嚴重影響加工質(zhì)量和精度,從而導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料零件報廢[1-3]。

      在用傳統(tǒng)鉆削工藝進行復(fù)合材料制孔的過程中,由于鉆頭橫刃處轉(zhuǎn)速為0,橫刃區(qū)的材料完全靠鉆頭的推擠作用而形成切屑,因此軸向力將非常大。當(dāng)軸向力超過層間結(jié)合力時,將發(fā)生分層現(xiàn)象。有文獻[4]指出,軸向力的50%以上集中在橫刃處,而且軸向力是產(chǎn)生分層的主要因素。M. S. Won 等人[5]采用預(yù)鉆先導(dǎo)孔的方法消除橫刃的影響,試驗結(jié)果表明,有先導(dǎo)孔時鉆削軸向力將大大減小,并且可以減小分層發(fā)生的幾率。

      與傳統(tǒng)的鉆削工藝相比,螺旋銑孔采用了完全不同的加工方式。銑削的主運動是銑刀的旋轉(zhuǎn)運動,因此主切削力是作用于銑刀圓周切線方向的分力,其消耗功率最多。而軸向力是沿銑刀軸線方向的分力,其消耗功率較少;而在鉆削過程中,功率主要消耗在橫刃和兩個切削刃上,其中,橫刃所消耗的功率占主要部分,因此軸向力非常大,很容易導(dǎo)致復(fù)合材料的分層。由于螺旋銑孔減小了軸向力,從而可以提高孔的加工質(zhì)量;其次,螺旋銑孔是斷續(xù)切削,有利于刀具和工件的散熱,從而降低了切削溫度;第三,螺旋銑孔屬于偏心加工,通過改變徑向偏移量可以實現(xiàn)一把銑刀加工一系列直徑的孔,不僅提高了加工效率,同時也大大減少了存刀數(shù)量和種類,降低了加工成本[6]。

      目前,越來越多的學(xué)者使用有限元仿真的方法對復(fù)合材料切削過程進行研究,但是,絕大部分都局限于二維模型以及切削機理的分析[7-9],與實際加工的三維切削過程仍有一些差別。本文首先針對螺旋銑孔的加工特點及刀具運動軌跡進行分析,再基于ABAQUS有限元軟件分別建立碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔的三維模型,并且從軸向力和加工質(zhì)量兩方面進行了對比和研究。

      1 螺旋銑孔的運動學(xué)分析

      螺旋銑孔作為一種新的工藝技術(shù),在銑孔過程中,銑刀側(cè)刃與底刃同時參與切削,是鉆削與銑削的綜合體現(xiàn)。螺旋銑孔過程包括3 個基本運動:自轉(zhuǎn)運動——以銑刀軸線為旋轉(zhuǎn)軸的主運動、公轉(zhuǎn)運動——刀具繞孔中心的旋轉(zhuǎn)運動,以及沿軸線向下的進給運動。在這3 個運動的共同作用下完成整個螺旋銑孔過程[10]。

      在傳統(tǒng)鉆孔過程中,鉆頭中心的進給運動始終沿軸線方向。但是在螺旋銑孔的加工過程中,銑刀中心的運動軌跡是一條螺旋曲線,進給方向隨時發(fā)生變化,未變形的切屑厚度也隨之改變,導(dǎo)致切削力也隨時間發(fā)生周期性的變化。由于銑刀的公轉(zhuǎn)速度遠小于自轉(zhuǎn)速度,因此在一個微小的切削過程中,銑刀中心的進給軌跡可近似認為是穩(wěn)定的直線運動。假設(shè)n(r/min)表示主軸自轉(zhuǎn)速度,np(r/min)表示公轉(zhuǎn)速度,那么相應(yīng)的角速度分別為:

      其中ω(rad/s)為銑刀自轉(zhuǎn)角速度,ω1(rad/s)為銑刀公轉(zhuǎn)角速度。此外,假設(shè)N為銑刀齒數(shù),銑刀直徑(半徑)為Dc(Rc)(mm),加工孔的直徑(半徑)為Dh(Rh)(mm)。a(mm/r)為每公轉(zhuǎn)一周的軸向切深(進給量),因此軸向進給速度fa(mm/min)為:

      軸向每齒進給量sa(mm/齒)為:

      在螺旋銑孔過程中,銑刀中心的運動軌跡是一條螺旋曲線,如圖1 所示。

      因此,每公轉(zhuǎn)一周,銑刀中心移動的距離為fa/(npsinα),那么銑刀中心沿螺旋曲線的進給速度fc(mm/min)為:

      因此,圖1 中的頂角α 為:

      根據(jù)螺旋銑孔的加工特點,頂角α 很小,因此可以近似認為tanα ≈α ≈sinα,那么進給速度fc為:

      銑刀中心的每齒進給量st可以表示為:

      銑刀走向每齒進給量sp為:

      從式(7)和(8)可以看出,一旦銑刀和孔的直徑確定,每齒進給量就只與自轉(zhuǎn)速度和公轉(zhuǎn)速度有關(guān)??梢?,對于螺旋銑孔來說,每齒進給量是一個關(guān)鍵的參數(shù),不僅決定了螺旋銑孔的加工效率,而且直接影響孔的加工質(zhì)量以及刀具壽命。下面提到的每齒進給量均指銑刀中心的每齒進給量[11]。

      2 三維模型的建立

      本文所加工孔的直徑為6 mm,螺旋銑孔過程中,刀具直徑與孔直徑的比例大約為55% ~90%,因此,選擇直徑為4 mm 的立銑刀。首先,通過三維建模軟件SolidWorks 建立一把直徑為4 mm 四齒銑刀模型,并導(dǎo)入到有限元軟件中。刀具材料選擇強度較高,抗沖擊,抗振動性能較好,耐磨性高的硬質(zhì)合金YG8,密度為14.4 ~14.6 kg/m3,彈性模量為6.40 ×105MPa,泊松比為0.22。

      碳纖維復(fù)合材料模型直接在有限元軟件中建立,碳纖維的鋪層角度為[0°/90°/45°/ -45°]2s,對稱鋪層以消除層間耦合效果,工件厚2 mm,共16 層,每一層的厚度相等,均為0.125 mm,所選材料性能如表1 所示,其中1、2、3 分別表示纖維方向、垂直纖維方向以及層間法線方向[12]。

      表1 碳纖維復(fù)合材料性能參數(shù)

      碳纖維復(fù)合材料的失效方式包括以下3 種:纖維的斷裂、基體開裂以及分層,為實現(xiàn)用有限元方法模擬碳纖維復(fù)合材料失效過程,選擇Hashin 損傷起裂準(zhǔn)則來進行分析計算。碳纖維復(fù)合材料在Hashin 準(zhǔn)則下的各參數(shù)值如表2 所示[12]。

      表2 碳纖維復(fù)合材料損傷模型 MPa

      在有限元仿真過程中,單元網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到仿真的計算結(jié)果。網(wǎng)格劃分太疏,會導(dǎo)致計算結(jié)果不準(zhǔn)確;網(wǎng)格劃分太密,不僅會大大延長計算時間,而且在一定程度下,繼續(xù)加密網(wǎng)格反而會造成沙漏等不良后果。此外,單元類型的選擇也起著至關(guān)重要的作用。本文中,碳纖維復(fù)合材料的單元類型為減縮積分下的八節(jié)點連續(xù)殼單元(SC8R),并且在加工孔的周圍把網(wǎng)格加密,遠離孔的部分采用較疏的網(wǎng)格,這樣不僅可以達到優(yōu)化計算結(jié)果的目的,還可以減少仿真所用的時間。銑刀的單元類型為4 節(jié)點線性四面體單元(C3D4),刀刃部分也適當(dāng)加密網(wǎng)格。在仿真過程中把刀具設(shè)置為剛體,忽略刀具的變形。螺旋銑孔裝配圖如圖2 所示。

      為了更好地說明螺旋銑孔的優(yōu)勢,建立鉆孔模型進行對比。鉆頭直徑為6 mm,相關(guān)參數(shù)的設(shè)置跟前面螺旋銑孔一致,碳纖維復(fù)合材料鉆孔裝配圖如圖3所示。

      3 有限元仿真結(jié)果分析

      為研究不同加工工藝和切削參數(shù)對制孔效果的影響,采用全面試驗的方法,分別分析了螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔下,不同主軸轉(zhuǎn)速、每齒進給量和每轉(zhuǎn)軸向切削深度對加工質(zhì)量和軸向力的影響,并進行對比。試驗過程中的加工參數(shù)如表3 所示。

      表3 螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔的切削參數(shù)選擇

      本文選取切削軸向力和分層因子來衡量加工質(zhì)量,分層因子Fd可由式(9)表示:

      式中:Dmax為孔出口處破壞區(qū)域的最大直徑;D為實際預(yù)加工孔的直徑;分層因子Fd為兩者的比值,如圖4所示。

      3.1 螺旋銑孔結(jié)果分析

      固定每轉(zhuǎn)軸向切削深度a=0.1 mm/r,改變主軸轉(zhuǎn)速和每齒進給量,得到碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔軸向力F和分層因子Fd的變化曲線如圖5 和圖6 所示。從圖5 中可以看出,增大主軸轉(zhuǎn)速或減小每齒進給量都能夠減小軸向力的大小,而且每齒進給量對軸向力的影響更為明顯。在圖6 中,分層因子的變化曲線也有跟軸向力一樣的趨勢,但是變化幅度較小,這主要是因為螺旋銑孔的加工質(zhì)量較好,屬于精加工,能夠有效地減小碳纖維復(fù)合材料孔出口分層問題。

      固定主軸轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min,每齒進給量st=0.03 mm/齒,觀察每轉(zhuǎn)軸向切削深度對軸向力F和分層因子Fd的影響如圖7 所示。從圖中可以看出,每轉(zhuǎn)軸向切削深度對軸向力和分層因子的影響程度很大,當(dāng)每轉(zhuǎn)軸向切削深度為0.05 mm/r 時,軸向力和分層因子分別為96 N 和1.08;當(dāng)每轉(zhuǎn)軸向切削深度為0.20 mm/r 時,軸向力和分層因子增大到197 N 和1.29,分別增加了105.21%和19.44%。因此,為了保證加工質(zhì)量,應(yīng)選擇較小的每轉(zhuǎn)軸向切削深度。

      對比圖5、圖6 和圖7,得出在螺旋銑孔過程中,切削參數(shù)對軸向力和加工質(zhì)量的影響順序為:每轉(zhuǎn)軸向切削深度>每齒進給速度>主軸轉(zhuǎn)速。

      3.2 傳統(tǒng)鉆孔結(jié)果分析

      圖8 和圖9 為不同切削參數(shù)下,碳纖維復(fù)合材料傳統(tǒng)鉆孔軸向力F和分層因子Fd的變化曲線。變化趨勢與螺旋銑孔中基本一致。隨著主軸轉(zhuǎn)速n的增加,軸向力和分層因子減小;隨著每齒進給量st的增加,軸向力和分層因子增加。而且,每齒進給量對軸向力和分層因子的影響大于主軸轉(zhuǎn)速。在主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min、每齒進給量0.05 mm/齒時,軸向力和分層因子有最大值213 N 和1.37;而在主軸轉(zhuǎn)速5 000 r/min、每齒進給量0.02 mm/齒時,軸向力和分層因子有最小值109 N 和1.20,相對于最大值分別降低了48.82%和12.41%。因此,在實際加工過程中,采用大的主軸轉(zhuǎn)速和小的每齒進給量有利于保證孔的加工質(zhì)量。

      3.3 對比分析

      從圖5 和圖8 可以看出,在相同的切削參數(shù)下,碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔的軸向力均要比傳統(tǒng)鉆孔小,從而有利于改善其出口質(zhì)量,如圖6 和圖9 所示。而且,隨著主軸轉(zhuǎn)速和每齒進給量增大時,螺旋銑孔的優(yōu)勢更為明顯??梢?,作為一種新的制孔工藝,螺旋銑孔能夠有效地減小碳纖維復(fù)合材料制孔過程中出現(xiàn)的問題。

      4 結(jié)語

      本文基于ABAQUS 有限元仿真,對比分析了不同加工工藝和切削參數(shù)對碳纖維復(fù)合材料制孔的影響。得到的結(jié)論如下:

      (1)在碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔過程中,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,軸向力和分層因子減小;隨著每齒進給量的增加,軸向力和分層因子增加;隨著每轉(zhuǎn)軸向切削深度的增加,軸向力和分層因子增加。切削參數(shù)對軸向力和分層因子的影響順序為:每轉(zhuǎn)軸向切削深度>每齒進給速度>主軸轉(zhuǎn)速。

      (2)在碳纖維復(fù)合材料傳統(tǒng)鉆孔過程中,切削參數(shù)對軸向力和分層因子的影響規(guī)律與螺旋銑孔基本一致。采用大的主軸轉(zhuǎn)速和小的每齒進給量有利于保證加工質(zhì)量。

      (3)對比碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔,無論是切削軸向力還是加工質(zhì)量,螺旋銑孔的效果都比傳統(tǒng)鉆孔好。

      [1]張厚江,陳五一,陳鼎昌.碳纖維復(fù)合材料的鉆削加工[J].新技術(shù)新工藝,1998(5):16-18.

      [2]Davis D C,Wilkerson J W,Zhu J,et al.A strategy for improving mechanical properties of a fiber reinforced epoxy composite using functionalized carbon nanotubes[J]. Composites Science and Technology,2011,71(8):1089-1097.

      [3]Perret B,Schartel B,St?? K,et al.Novel DOPO-based flame retardants in high - performance carbon fibre epoxy composites for aviation[J].European Polymer Journal,2011,47(5):1081-1089.

      [4]Jain S,Yang D C H.Delamination-free drilling of composite laminates[J]. Journal of Engineering for Industry (United States),1994,116(4):475-481.

      [5]Won M S,Dharan C K H.Chisel edge and pilot hole effects in drilling composite laminates[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2002,124(2):242-247.

      [6]秦旭達,陳仕茂,劉偉成,等. 螺旋銑孔技術(shù)在航空制造裝配業(yè)中的發(fā)展應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2009(6):58-60.

      [7]Santiuste C,Miguélez H,Soldani X.Out-of-plane failure mechanisms in LFRP composite cutting[J]. Composite Structures,2011,93(11):2706-2713.

      [8]Soldani X,Santiuste C,Mu?oz-Sánchez A,et al.Influence of tool geometry and numerical parameters when modeling orthogonal cutting of LFRP composites[J]. Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2011,42(9):1205-1216.

      [9]Mkaddem A,Demirci I,Mansori M E. A micro–macro combined approach using FEM for modelling of machining of FRP composites:cutting forces analysis[J]. Composites Science and Technology,2008,68(15):3123-3127.

      [10]孫曉太. CFRP/鈦合金螺旋銑孔專用刀具優(yōu)化與試驗研究[D].天津:天津大學(xué),2011.

      [11]王海艷,難加工材料螺旋銑孔動力學(xué)研究[D]. 天津:天津大學(xué),2012.

      [12]Isbilir O,Ghassemieh E.Finite element analysis of drilling of carbon fibre reinforced composites[J].Applied Composite Materials,2012,19(3-4):637-656.

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