碳纤维增强环氧树脂基复合材料(简称碳纤维复合材料)的制孔质量直接影响复合材料连接结构的力学性能与可靠性^[1-2].复合材料在制孔加工时刀具磨损严重, 加工后易产生毛刺、分层等加工损伤, 制孔质量和精度很难保证^[3-4].

复合材料的制孔过程受到很多加工参数的影响, 比如钻削速度、钻头直径、刀具材料等.这些参数的直接和相互作用会对加工效果即钻削力和制孔质量等产生影响.李桂玉等^[5]以主轴转速、每转进给量和钻头横刃偏心系数为决策变量, 建立了复合材料钻削加工的参数优化模型, 得到在满足钻削质量条件下最大材料去除率时的钻削参数：主轴转速15 000 r/min, 进给量0.029 65 mm/r.Azmir等^[6]采用D-最优化方法进行工艺参数优化, 得出轴向力和分层随进给速度和主轴转速的增大而增大.Abhishek等^[7]提出了一种集成的多响应优化理念, 得到转速2 800 r/min、进给速度50 mm/min时的轴向力、扭矩和分层因子值最小.Krishnaraj等^[8]针对复合材料高速钻削, 利用方差分析研究了制孔质量的影响因素, 并采用遗传算法进行多目标优化以求实现无缺陷钻削加工.

现有对碳纤维复合材料制孔加工的研究多为直径5 mm以上的常规尺寸, 而对小直径孔加工的研究较少, 试验数据和理论分析相对匮乏.因此, 本文通过开展碳纤维复合材料直径3 mm小孔的钻削试验, 借助回归分析、刀具磨损状态和制孔质量检测等方法, 建立钻削工艺参数优化模型, 为碳纤维复合材料小孔钻削的切削力预测、钻削刀具寿命的评估和加工工艺参数的合理选择提供依据.

试验采用的工件材料为T300碳纤维增强环氧树脂复合材料叠层板, 叠层铺设方式为[45°/0°/-45°/90°]_4s, 板厚5 mm, 碳纤维体积分数约为60%±5%.试验所用刀具为直径3 mm的YG6硬质合金麻花钻, 刀具主要参数如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 刀具主要参数 Table 1 Main parameters of the drill 顶角 螺旋角 横刃斜角 横刃长度 刀尖形貌 (°) (°) (°) mm 118 25 66 0.6

表 1 刀具主要参数 Table 1 Main parameters of the drill

钻削试验在德玛吉DMC 635V eco型立式加工中心上进行, 机床最高主轴转速8 000 r/min.采用Kistler 9257B动态测力仪对加工中的钻削力进行测量, 试验和测试系统原理如图 1所示.对加工后的刀具和复合材料孔的出口形貌采用VHX-1000E超景深显微镜进行观测.

图 1(Fig. 1)

图 1 钻削加工和测试系统原理图 Fig.1 Schematic diagram of the drilling and testing system

通过设计工艺试验和磨损试验来分别研究工艺参数和刀具磨损情况对碳纤维复合材料小孔加工的影响, 具体试验参数如表 2所示.

表 2(Table 2)

表 2 试验参数 Table 2 Experiment parameters 试验类型 主轴转速×10-3 进给速度 r·min-1 mm·min-1 工艺试验 2, 4, 6, 8 20, 40, 60, 80 磨损试验 6 40

表 2 试验参数 Table 2 Experiment parameters

图 2是不同进给速度下, 轴向力随转速的变化曲线.从图中可以看出, 当进给速度分别为20, 40, 60和80 mm/min时, 随着主轴转速从2 000增大至8 000 r/min, 轴向力均呈减小的趋势, 其减小的幅度略有不同, 分别为45.89%, 49.15%, 49.95%和47.46%.在试验研究的参数范围内, 进给速度为20 mm/min时的轴向力值相对较小.

图 2(Fig. 2)

图 2 轴向力随主轴转速的变化曲线 Fig.2 Effect of spindle speed on thrust force

图 3是不同进给速度下, 扭矩随主轴转速的变化曲线.由曲线可得, 随着主轴转速的增大, 扭矩值略有下降.在试验研究的参数范围内, 进给速度为20 mm/min时的钻削扭矩值相对较小.

图 3(Fig. 3)

图 3 扭矩随主轴转速的变化曲线 Fig.3 Effect of spindle speed on torque

通过上述工艺参数对钻削力影响的分析可知, 碳纤维复合材料小孔加工时的轴向力F和扭矩M与转速n和进给速度v_f有关.由金属切削理论, 切削力与切削参数之间呈一定的指数关系.因此, 设钻削力与转速和进给速度间满足指数关系式:

(1)

(2)

式中, C_F, C_M, k₁, k₂, k′₁, k′₂为待求系数.

对式(1), 式(2) 两端求对数, 得

(3)

(4)

设lgF=y, lgC_F=a₀, lgn=x₁, lgv_f=x₂, 则有

(5)

同理, 设lgM=y′, lgC_M=b₀, lgn=x₁, lgv_f=x₂, 则有

(6)

将实验数据代入数据分析软件MATLAB中进行多元线性回归, 可得相应的回归系数, 求得轴向力和扭矩的回归公式分别为

(7)

(8)

对回归系数进行方差分析以证明回归公式的有效性, 如表 3和表 4所示.可决系数R是判定回归关系式对试验数据拟合程度的指标, 可决系数越接近于1则拟合度越好.本试验中, 轴向力和扭矩取对数后的可决系数R分别为0.963 1和0.952 3, 说明回归变量对样本数据点的拟合程度比较好, 即上述建立的钻削力经验公式具有一定的实际应用价值.

表 3(Table 3)

表 3 轴向力的回归方差分析 Table 3 Regression variance analysis of the thrust force 方差 来源 偏差 平方和 自由 度 方差 F值 Fα 显著 性 转速 0.155 3 1 0.155 3 40.515 4 4.667 2 高度 显著 进给速度 0.151 9 1 0.151 9 39.620 6 9.073 8 高度 显著 回归 0.307 2 2 0.153 6 40.068 0 3.805 6 高度 显著 误差 0.049 8 13 0.003 8 — 6.701 0 — 总和 0.357 0 15 — — — —

表 3 轴向力的回归方差分析 Table 3 Regression variance analysis of the thrust force

表 4(Table 4)

表 4 扭矩的回归方差分析 Table 4 Regression variance analysis of the torque 方差 来源 偏差 平方和 自由 度 方差 F值 Fα 显著 性 转速 0.023 3 1 0.023 3 7.122 7 4.667 2 显著 进给速度 0.391 0 1 0.391 0 119.572 5 9.073 8 高度 显著 回归 0.414 3 2 0.207 1 63.347 6 3.805 6 高度 显著 误差 0.042 5 13 0.003 3 — 6.701 0 — 总和 0.456 8 15 — — — —

表 4 扭矩的回归方差分析 Table 4 Regression variance analysis of the torque

碳纤维复合材料常见的制孔损伤有毛刺、分层和撕裂.通过对小孔钻削试验中孔的出口形貌观察发现, 撕裂损伤并不多见, 而毛刺损伤在绝大部分试验孔中都存在.毛刺损伤的产生是由于刀具切削刃不够锋利, 在制孔出口处未能将纤维沿孔边缘整齐切断而使其残留在材料表面而形成的.因此, 可以通过刀具磨损试验来研究毛刺损伤的产生规律.

采用一把新的硬质合金钻头对碳纤维复合材料进行连续钻削试验, 用超景深显微镜观察刀尖形貌和孔出口形貌的变化情况, 如表 5所示.随着制孔个数的增加, 刀具磨损程度逐渐加重, 孔出口的毛刺在数量和损伤程度上也都有所加重, 制孔质量越来越差.

表 5(Table 5)

表 5 刀尖形貌与孔出口形貌对比 Table 5 Comparison of the morphology for the tool tip and the hole exit 孔数 1 15 35 刀尖 形貌 制孔 形貌

表 5 刀尖形貌与孔出口形貌对比 Table 5 Comparison of the morphology for the tool tip and the hole exit

观察发现, 钻头后刀面的磨损带为由刀尖向横刃逐渐变窄的一狭长区域.刀尖处由于散热条件差, 切削刃强度弱, 磨损速率最快.因此, 以刀尖处的磨损量来评价刀具的磨损程度, 具体测量位置如图 5所示.

图 5(Fig. 5)

图 5 钻头磨损量的测量位置 Fig.5 Measurement position of tool wear

试验中, 每加工2个孔, 用超景深显微镜测量麻花钻后刀面磨损量值.将两主切削刃后刀面磨损量值求和, 得到其随制孔个数的变化情况，如图 6所示.可以看出, 随着制孔个数的增加, 磨损量逐渐增大, 拟合曲线符合常规刀具磨损曲线的3个阶段, 即:在制孔个数小于11时, 刀具磨损量迅速增大; 随后磨损量曲线平缓上升, 即稳定磨损阶段; 当制孔个数大于31之后, 磨损量超过90 μm, 磨损曲线斜率增大, 表明刀具进入剧烈磨损阶段, 需重新刃磨或更换新刀.

图 6(Fig. 6)

图 6 刀具后刀面磨损量随制孔个数的变化 Fig.6 Change of tool wear with number of holes drilled

对制孔出口处的毛刺进行统计, 计算每一部分的毛刺面积, 记为A_i, 将孔周所有毛刺的面积求和得到∑A_i, ∑A_i值反映毛刺损伤的严重程度.随着刀具磨损量的加大, 钻削扭矩值逐渐增大, 图 7是毛刺面积∑A_i与扭矩之间的关系图.图中, 毛刺面积的分布有一定分散性, 反映了碳纤维复合材料制孔毛刺的产生具有一定的随机性, 但其总体趋势是随着扭矩值的增大而增大.

图 7(Fig. 7)

图 7 毛刺面积与扭矩的关系 Fig.7 Relationship between burr area and torque

采用线性拟合描述毛刺面积与扭矩值之间的关系, 得到毛刺面积的计算公式为

(9)

为了提高钻削效率, 以最大材料去除率Q为优化目标, 即保证碳纤维复合材料钻削质量的前提下, 通过优化钻削工艺参数以实现最大的加工效率, 则优化目标函数可以表示为

(10)

其中:a_p为切削深度, 对于钻削加工其值为钻头直径的一半; n为主轴转速; f为刀具每转进给量.

分层损伤会显著降低复合材料及其连接结构的力学性能, 因此, 保证碳纤维复合材料小孔的钻削质量意味着加工后不能产生分层损伤.另外, 毛刺损伤虽无法避免, 也要将其控制在一定的允许范围内.

1) 分层损伤.研究表明分层的产生是由于加工时轴向力超过一定数值即临界轴向力而引起的.因此, 采用临界轴向力作为约束条件.麻花钻作用下各向异性复合材料板的临界轴向力F_cri为^[9]

(11)

(12)

(13)

(14)

其中:G_IC为I型裂纹的临界应变能释放率; D_ij为弯曲刚度系数.

对于试验中采用的复合材料层合板, 每单层厚度为0.125 mm, G_IC为150 J/m^2[9], 计算得临界轴向力值为167.166 N.代入轴向力与工艺参数的回归关系式(7), 可得边界约束方程为

(15)

2) 毛刺损伤.利用2.3节中建立的毛刺面积拟合式(9), 将毛刺损伤程度作为一个约束条件.由磨损试验可知, 刀具进入剧烈磨损阶段后制孔质量较差, 不适用于实际应用.因此, 选取刀具发生急剧磨损时孔周毛刺面积的统计值作为毛刺损伤的临界值.另外, 为了减少毛刺产生的随机性的影响, 取第30, 31, 32个孔的毛刺面积的平均值1.287作为约束边界, 得到约束方程为

(16)

将以上目标函数和边界约束方程导入MATLAB软件, 借助linprog线性优化函数进行全局优化, 结果如表 6所示.

表 6(Table 6)

表 6 工艺参数优化结果 Table 6 Optimization results of the process parameters 主轴转速 进给速度 材料去除率 r·min-1 mm·min-1 mm3·min-1 8 000 82.99 586.61

表 6 工艺参数优化结果 Table 6 Optimization results of the process parameters

在本文的试验条件下, 麻花钻钻削碳纤维复合材料的最大材料去除率为586.61 mm³/min, 对应的主轴转速为8 000 r/min, 进给速度为82.99 mm/min.

1) 本文开展了碳纤维复合材料直径3 mm小孔钻削试验, 通过对试验数据进行多元线性回归, 得到了钻削轴向力、扭矩与转速、进给速度的关系式, 并通过方差分析验证了回归关系式对试验数据的拟合程度较好.

2) 刀具磨损导致制孔质量变差, 采用硬质合金钻头钻削碳纤维复合材料的制孔个数大于31时, 磨损曲线斜率增大, 刀具进入剧烈磨损阶段; 制孔毛刺的产生具有一定的随机性, 总体变化趋势是随着扭矩值的增大而增大.

3) 以材料去除率最大为优化目标, 在钻削后无分层且毛刺损伤满足使用要求的约束条件下, 获得了本文试验条件下麻花钻钻削碳纤维复合材料的最优工艺参数：主轴转速8 000 r/min, 进给速度82.99 mm/min, 对应的材料去除率为586.61 mm³/min.