王 磊,馬貴春,張化斌,劉 洋,郭思博,付文杰,耿蕰娜

(中北大學 航空宇航學院, 太原 030051)

0 引言

碳纖維復合材料諸多良好性能,所以我國使用碳纖維復合材料主要用于生產(chǎn)武器裝備上[1]。而碳纖維復合材料(CFRP)切削加工的模擬仿真研究至今仍然相當缺乏,特別是針對各向異性CFRP的制孔仿真研究剛剛起步[2]。

目前國內(nèi)針對碳纖維復合材料的加工研究,集中在鉆削和銑削領域。碳纖維復合材料與傳統(tǒng)金屬相對比,CFRP具有不同的物理性質和機械特性,其特性為各向異性,而利用傳統(tǒng)金屬機械加工方法加工碳纖維時,可能會出現(xiàn)纖維撕裂、材料分層等綜合缺陷問題。而利用刀具切削碳纖維復合材料時,也會出現(xiàn)刀具使用壽命短暫等一系列問題,因此需要新型的加工工藝和機理來解決這些問題。目前,國內(nèi)外學者對CFRP材料的鉆孔加工質量研究日益增多。王天宇等[3]利用Abaqus中連續(xù)殼單元對T300進行鉆削仿真,鉆削參數(shù)對軸向力的影響順序依次是鉆頭直徑、進給量和切削速度。熊明洋等[4]創(chuàng)建碳纖維本構模型,建立CFRP三維實單元,考慮材料層合板之間的粘接強度,創(chuàng)建Hashin三維失效準則,可以觀察到CFRP的分層損傷和樹脂基體損傷。U.Hari Babu等[5]主要研究了主軸轉速、鉆頭直徑、進給速率等鉆孔工藝參數(shù)對其特性的影響,再模糊推理系統(tǒng),提出了MPI理論模型。劉峰等[6]利用Cohesive單元對T300型碳纖維復合材料進行損傷特性試驗與仿真研究,采用BK準則判定膠層失效。李云浩等[7]利用試驗研究出,軸向力的大小影響著分層因子,影響碳纖維裝配孔的制孔質量。

此課題基于某航空公司制造廠項目。CFRP板件在實際打孔中,國內(nèi)鉆頭使用壽命不如國外,而國外鉆頭價格昂貴,故我們迫切需要對碳纖維復合材料板件裝配孔制孔工藝參數(shù)進行研究,打破國外技術壁壘。采用仿真模擬、試驗研究、理論分析三者相結合的方法,揭示制孔中軸向力的演變規(guī)律,以實現(xiàn)裝配孔制孔的低成本、高質量。

1 碳纖維復合材料鉆削仿真

1.1 仿真前處理與損傷模型

基于ABAQUS仿真研究,為滿足復合材料各向異性的特性,本文中采用Hashin失效損傷模型,判斷失效形式一共有4種,分別為纖維體拉伸斷裂、纖維體壓縮屈曲、基體在橫向拉伸和剪切下的斷裂、基體在橫向壓縮和剪切下的壓潰,失效模式具體如下[8]：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:XT為縱向拉伸強度;XC為縱向抗壓強度;YT為橫向拉伸強度;YC為橫向抗壓強度;SL為縱向剪切強度;ST為橫向剪切強度;α為確定剪切應力對纖維拉伸起始準則的貢獻系數(shù)(0≤α≤1)。

1.2 部件的建立

1) 刀具

本文中選取了刀具用于碳纖維復合材料鉆削仿真研究,使用SolidWorks繪制三維模型,如圖1所示。

圖1 鉆頭三維模型圖

使用65°整體合金鎢鋼鉆頭,刀具直徑為5 mm,總長L=75 mm,具體參數(shù)如表1所示。

2) 碳纖維復合材料層合板

在ABAQUS/CAE中構建復合材料層合板,尺寸為30 mm×30 mm,設置為可拉伸實體,然后設置T700層合板的厚度為5 mm,將層合板部件劃分為5層,每層設為1 mm,鋪層方式為0/90/0/90/0,如圖2所示。

圖2 T700實例圖

材料屬性的定義在整個切削仿真中必不可少,在管理器中建立刀具材料屬性TOOL與層合板的材料屬性T700,如圖3所示。刀具的楊氏模量為480 GPa,泊松比設置為0.3, 密度為6.8 g/cm3,纖維損傷使用Hashin準則,表2、表3為復合材料的工程參數(shù)和Hashin損傷參數(shù)[9]。

表2 復合材料Hashin損傷參數(shù)

表3 復合材料本構模型工程參數(shù)

圖3 工件鋪層

1.3 仿真前處理

在Abaqus/CAE中,有3種類型的網(wǎng)格公式可供使用:分別為歐拉、拉格朗日和任意拉格朗日-歐拉。歐拉方法受到兩面性的影響,因此并不適用于實際生產(chǎn)中的加工模擬。相比之下,拉格朗日法可以精確地跟蹤各種自由表面的信息,是較為適合于加工模擬的一種方法[10]。

拉格朗日法需重生網(wǎng)格,增加計算時的時間,也存在嚴重的原件失真等問題[11]。任意拉格朗日-歐拉法則結合了以上2種方法各自的優(yōu)點,從而規(guī)避了繁雜的網(wǎng)格重新劃分和生成這樣冗雜的過程[12]。本文中利用Abaqus生成網(wǎng)格,在mesh中布置種子使其密度為0.3 mm,指派單元類型選用SC8R,設置單元刪除勾選是,最大下降勾選使用默認。對刀具進行網(wǎng)格劃分,依舊使用mesh中布置種子使其密度為0.3 mm,指派單元類型為C3D10M,其余均勾選為默認。網(wǎng)格生成與裝配實例如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格模型與裝配實例

將Solidworks繪制的刀具文件導入到Abaqus中,為節(jié)省運算,將刀柄部分切除,將層合板與刀具導入裝配模塊。利用Abaqus中裝配模塊的平移和旋轉工具,將刀尖移動到距離碳纖維復合材料層合板的0.000 1 mm處的位置,以減少運算時間。

分析步影響著計算速度與計算精度,在分析步模塊,將分析時間長度設置為0.05 s,定義質量縮放系數(shù)為1 000,穩(wěn)定時間增量為默認,采用質量縮放是為提高仿真效率。在Abaqus中,需要做到各個量綱統(tǒng)一,故主流單位為mm與s單位制為基礎進行建模計算。表4為此次鉆削仿真采用的工藝參數(shù),其中主軸鉆速209.33、314.00、418.67 r/s分別對應2 000、3 000、4 000 r/min,進給速度0.83、1.67、2.50 mm/s分別對應50、100、150 mm/min。

表4 鉆削工藝參數(shù)

相互作用采用表面與表面接觸,接觸屬性設置切向行為與法向行為,設置摩擦系數(shù)0.2。在相互作用編輯中,將第一表面設置為纖維,第二表面設置為刀具,并選擇區(qū)域。最后編輯約束,將刀具設為剛體,如圖5所示。

圖5 刀具與板件接觸區(qū)域

接下來進入載荷模塊,創(chuàng)建刀具與層合板的邊界條件,選取對稱/反對稱/完全固定的分析類型,載荷區(qū)域將層合板四周的壁完全覆蓋,然后再選取速度/角速度,對刀具進行約束,選取點為刀柄的中點,如圖6所示。

圖6 邊界條件

完成上述步驟后,對整個作業(yè)進行調試,調試無錯誤后,提交仿真,開始分析計算,使用8個處理器同時計算,以提高仿真效率。

2 T700型碳纖維復合材料鉆削試驗[7]

1) 試驗機床設備

試驗數(shù)控機床如圖7所示,是漢川機床公司所生產(chǎn)的數(shù)控立式銑床機床整體結構。機型為HCZK1340。

圖7 數(shù)控立式銑床

2) 測力設備

本試驗中使用Kistler公司生產(chǎn)制造測力儀。測力儀工作原理為傳感器受到壓力后,將所受到的壓力產(chǎn)生的電荷信號轉換為電壓信號,再轉化為受到力的大小。測力儀如圖8所示。

圖8 Kistler測力儀

3) T700試驗結果

鉆削試驗過程中存在很大的誤差,為減少外部因素所造成的誤差,對于不同的鉆削參數(shù),試驗將加工2個孔,試驗后得到CFRP制孔圖,如圖9所示。

圖9 CFRP試驗制孔圖

通過試驗測力設備采集軸向力指標,為后續(xù)探究鉆削仿真提供試驗數(shù)據(jù)。由于實驗具有系統(tǒng)誤差和隨機誤差,故針對試驗數(shù)據(jù)進行合理性判斷。

3 結果分析

3.1 鉆削力的仿真結果分析

基于極差分析方法對試驗進行初步探究。分析到實驗數(shù)據(jù)波動很大,說明主軸鉆速與進給速度對軸向力有較大的影響,故設計最優(yōu)水平因素分析,實驗與仿真數(shù)據(jù)結果如表5所示。

表5 理論、試驗、仿真軸向力對照分析

從表5中,可以計算出仿真與實驗結果誤差值在2%～19%。而出現(xiàn)15%以上的原因是數(shù)控機床如果在高轉速、低進給情況下時,鉆削碳纖維板件會出現(xiàn)軸向力較大波動,還由于仿真中對模型進行質量縮放的原因所導致。

3.2 主軸鉆速與進給量對軸向力的影響

1) 主軸鉆速與軸向力的關系

從圖中可以看出,試驗與仿真數(shù)據(jù)趨勢大體一致:在鉆削碳纖維復合材料層合板時,隨著主軸轉速與進給速度的變化,軸向力也會相應地發(fā)生變化。將試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)繪制變化規(guī)律圖,如圖10、圖11所示。

圖10 進給速度分別在0.83、1.67、2.5 mm/s下,主軸速度與軸向力的變化

圖11 主軸鉆速分別在209.33、314、418.67 r/s下,進給速度與軸向力的變化

在圖10中,圖10(a)、(b)、(c)分別是進給量50、100、150 mm/min下,主軸轉速對軸向力的影響,總體情況來看進給量在不變得情況下,隨著主軸鉆速不斷增快,軸向力不斷變小。這主要的原因是軸向力與鉆頭去除碳纖維復合材料的面積所消耗的能量有關。主軸轉速越快,鉆頭鉆削部位溫度會逐漸升高,碳纖維復合材料在高溫下軟化,隨之軸向力就減小。在高鉆速下,單位時間內(nèi)切削的材料面積也減小。在這2個因素的作用下,鉆削速度越快,鉆削軸向力隨之變小。

2) 進給速度與軸向力的關系

在圖11中,圖(d)、(e)、(f)分別是主軸鉆速2 000、3 000、4 000 r/min下,進給量對軸向力的影響。從圖11中我們可以看出,在主軸轉速不變的情況下,進給速度越大,隨之鉆削過程中,鉆頭與切削部位面積增大,鉆削阻力、鉆頭與鉆削部位的摩擦力都將隨之增大而增大,則會導致鉆削軸向力也隨之增大。理論分析與仿真試驗結果相一致。故隨之進給量增大,軸向力也隨著增大。

3.3 軸向力擬合

根據(jù)鉆削軸向力的經(jīng)驗公式[13]對仿真結果數(shù)據(jù)進行擬合,得到鉆削T700型碳纖維復合材料的軸向力經(jīng)驗公式,再與試驗數(shù)據(jù)進行對照分析。如式(5)所示。

F=K·nx·fy

(5)

式(5)中:F為仿真得出得鉆削軸向力;K為修正系數(shù);n為主軸轉速;x為轉速修正指數(shù);f為進給速度;y為進給修正指數(shù)。利用最小二乘法擬合出公式,如式(6)所示。

F=337.598 1·n-0.313 8f0.337

(6)

得出鉆削T700軸向力仿真的經(jīng)驗公式,與試驗值進行對比,如表5所示。

從表5中,分析鉆削試驗與仿真經(jīng)驗公式數(shù)據(jù)得:誤差值1.7%～11.28%,大部分集中在3%左右,鉆削仿真軸向力經(jīng)驗公式與試驗軸向力擬合程度高。

圖12中為理論、試驗與仿真在不同主軸鉆速下的軸向力變化的折線圖。理論值與仿真值存在差異的原因是在Abaqus中,設置分析步中對質量進行了縮放,試驗與經(jīng)驗公式誤差在0.7%～15%。

3.4 軸向力與分層因子的影響

在 ABAQUS 的后處理模塊中,在分析步選擇歷史輸出受壓損傷變量 DAMAGEMC,可在可視化界面中看到相應的剪切應力云圖分布。表6展示了不同加工參數(shù)下,層合板的損傷應力云圖。

表6 不同參數(shù)剪切損傷應力云圖

按照文獻[13]中的計算公式,計算了不同處理參數(shù)下孔出口處的損傷情況,如圖13,并將計算結果整理在表7中。

表7 分層因子

圖13 孔口位圖及線條圖

從表7我們可以看出,在209.33 r/s,2.5 mm/s下,分層因子最大,而在418.67 r/s下,0.83 mm/s時,分層因子最小,此時裝配孔量最好。

4 結論

1) 利用Solidworks創(chuàng)建刀具,導入Abaqus中進行有限元仿真,纖維方向為0、90、0、90、0的排列順序,質量縮放為1 000,對T700在不同進給量與主軸鉆速下進行仿真模擬,得到其平均軸向力。

2) 對T700進行鉆削試驗,工藝參數(shù)為(n=2 000、3 000、418.67 r/s,f=0.83、1.67、2.5 mm/s),通過試驗來預測仿真模型,試驗值與仿真值誤差區(qū)間在15%左右。

3) 對仿真數(shù)據(jù)進行擬合,根據(jù)鉆削經(jīng)驗公式,擬合得出T700軸向力的鉆削經(jīng)驗公式,與仿真中軸向力誤差值3%左右,與試驗誤差值在10%左右。

4) 通過分層因子,觀察制孔質量發(fā)現(xiàn),在418.67 r/s、0.83 mm/s下,軸向力最小,裝配孔質量最好。