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碳纤复材钻孔出口缺陷的研究

CFRP碳纤维复合材料钻孔时,最常见得缺陷往往发生在孔出口处,由撕裂和毛边两部分组成,其中撕裂比毛边的尺寸大。孔出口撕裂的大小与进给速度、进给量、钻头直径和轴向力等因素有关。钻头进给速度增大,撕裂随着增大,而随钻头回转速度增大撕裂随着减小, 且前者的影响程度比后者大。控制钻削力大小,特别是将钻头横刃在即将钻出时轴向力的大小限制在一定范围内,是减小孔出口缺陷的另一种有效方法。

关键词:碳纤维复合材料(CFRP)  撕裂  毛边  钻削参数
文章来源:机械工程学报
作者: 张厚江 陈五一 陈鼎昌

    CFRP碳纤维复合材料钻孔时,最常见得缺陷往往发生在孔出口处,由撕裂和毛边两部分组成,其中撕裂比毛边的尺寸大。撕裂的形成过程包括两个作用阶段即横刃作用阶段和主切削刃作用阶段,其中横刃作用在撕裂形成中占主导成份。毛边缺陷通常出现在表层纤维被“顺向”切削的孔边缘部分。孔出口撕裂的大小与进给速度、进给量、钻头直径和轴向力等因素有关。钻头进给速度增大,撕裂随着增大,而随钻头回转速度增大撕裂随着减小, 且前者的影响程度比后者大。将切削速度与进给速度比值控制在3000-4000以下,可以有效地减小撕裂值。钻削时在孔出口侧垫上铝板等支撑物能减小孔出口的撕裂。控制钻削力大小,特别是将钻头横刃在即将钻出时轴向力的大小限制在一定范围内,是减小孔出口缺陷的另一种有效方法。
    通过实验和观察,现孔出口撕裂的形成过程包括两个阶段:横刃作用阶段和主切削刃作用阶段。
    (1)横刃作用阶段 这一阶段由横刃对出口侧表层材料有推挤作用开始,到横刃钻出表层材料的时刻结束。钻头横刃在由CFRP材料内部向外切出过程中,对表层材料有强烈的推挤作用,表面纤维层首先以钻头轴线位置为中心发生小的凸起(图a),然后凸起逐渐增大,并沿外层纤维铺层方向扩展。扩展到一定程度。表层纤维间裂开,横刃切出。
    (2)主切削刃作用阶段。这一阶段由横刃切出表层材料时刻开始。到主切削刃完全钻出表层材料结束。横刃形成的撕裂属于钻出过程中产生的撕裂,不是最终的。在横刃钻出工件表面后,主切削刃继续对撕裂的形成起作用。主切削刃的作用表现在两个方面:一方面与横刃一样有继续向外推挤作用(图b).另~方面它因自身旋转有扭曲作用(图c)。撕裂在主切削刃作用下最终形成。

钻头对撕裂形成的作用

Fz–钻头对撕裂的轴向(z向)作用力 Fm–主切削刃对撕裂的扭曲作用力

Fz–钻头对撕裂的轴向(z向)作用力 Fm–主切削刃对撕裂的扭曲作用力

        由于横刃是负前角切削,轴向力的50%以上集中在横刃,所以在横刃和主切削刃两者中,横刃的作用占主导成分。据观察,在横刃钻出的瞬时,撕裂长度己达最终撕裂长度的60%~7O%以上。
        无论主撕裂区还是次撕裂区,在孔边缘部分都经常存在有未完全切断的表层纤维毛边,这种现象称为起毛。起毛现象(毛边)是由于以下几方面原因造成的:①在“顺向”切削情况下纤维不容易被切断。②表层纤维外侧为自由表面,没有约束。③钻头轴向推挤作用。而在钻头切削刃与纤维间处于“逆向”切削的部位,基本上没有起毛现象存在,这一区域称为光滑区。这里的“顺向”切削是指切削刃运动方向与纤维方向成锐角的切削,而“逆向”切削是指切削刃运动方向与纤维方向成钝角的切削。孔出口撕裂和毛边多数情况下是同时存在的,两者的大小有着相同的变化趋势。撕裂越大,毛边也越大;撕裂越小,毛边也越小。当撕裂减小到一定程度时,毛边先行消失。

影响出口撕裂的主要因素:
    (1)钻头(主轴)转速n与进给速度Vf
    无论是多向CFRP还是单向CFRP,钻头转速n越高,撕裂越小;进给速度v,越大,撕裂越大。对多向CFRP来讲,在Vf=66.0~120.8 mm/min 较高进给速度下,随着钻头转速 增大,撕裂明显减小,尤其是在低转速阶段表现尤为突出;而在Vf=24.0~44.0 mm/min较低进给速度下,随着钻头转速n增大,撕裂的减小就很平缓了,并且在任何钻头转速下撕裂值的大小始终没有超过1mm。这种现象单向CFRP也大体存在,只是分界点的进给速度更低些。可见,减小撕裂大小可以采取减小进给速度和提高钻头转速两种措施,但减小进给速度会降低加工效率,所以采用高速钻削应是首先考虑的方法。
    在同样切削条件下单向CFRP的撕裂值要比多向CFRP的撕裂值大,也就是说单向CFRP更容易发生撕裂。
    (2)切削速度Vc与进给量f
    无论是多向CFRP还是单向CFRP,进给量f越大,撕裂越大。这种现象在较低进给量下表现尤为突出。不同切削速度对撕裂大小的影响非常小,几乎小到可以忽略的程度。这种现象在钻削力方面也存在。前面已指出,孔出口撕裂的形成分为两个作用阶段,在这两个作用阶段中都是钻削力(轴向力和转矩)在起作用,也就是说,钻削力是形成撕裂的根本原因,所以撕裂也和钻削力一样几乎不受切削速度的影响是很自然的。在不考虑切削速度影响的前提下,如果用线性回归图中试验数据点的话,则得到如下经验公式:
多向CFRP:l=0.26+0.11f
单向CFRP:l=0.34+0.11f
式中,
l—撕裂值(mm)
f—进给量( um/r)
    (3)切削速度与进给速度之比Vc/Vr
    无论是多向CFRP还是单向CFRP,在各种不同进给速度下,撕裂值,与Vc/Vr间关系的试验数据点都很有规律性。在Ve/vf~<3 000″–4 000时,Ve/vf增大撕裂值,下降极快;在Vc/Vr>3000~4000时,Vc/Vr增大撕裂值,下降很小,也可以说在这个阶段,受Vc/Vr的影响非常小。有意思的是,这种情形与Vc/Vr对钻削力影响的情形相似,且两者形成分界点的 Vc/Vr“门槛值”也相近。这一“门槛值”同样对实际生产中选取钻削参数具有指导意义,只要将钻削速度和进给速度选取在两者比值高于门槛值的范围,那么钻削出的孔的出口撕裂将很小。
    (4)钻头直径
    钻头直径越大,钻削后所形成的孔出口撕裂越严重。无论主轴转速高低,情形都是一样的。因为钻头直径越大,钻削过程中的钻削力也就越高。而钻削力越高,撕裂值就越大。
    (5)钻削力
    钻削轴向力对多向CFRP钻孔出口撕裂的影响,总的趋势是轴向力越大,孔出口撕裂越严重。不过两者间的关系不是线性的,在轴向力由小向大增加过程中,撕裂值,开始增大较慢,随后逐渐加快,随着 增加 增大速度越来越快。整个过程的趋势很像一条二次曲线。如果用二次多
项式拟合这些试验数据,则可得到如下经验公式:
l=0.76-0.04Fz+0.001Fz
式中Fz=轴向力

结论
(1)CFRP钻孔出口撕裂形成过程包括两个作用阶段即横刃作用阶段和主切削刃作用阶段,其中横刃作用在撕裂形成中占主导成分。
(2)孔出口缺陷除撕裂外,在表层纤维被“顺向”切削部分,还经常存在起毛缺陷。在表层纤维被“逆向”切削部分,一般较整洁。
(3)钻头(主轴)转速n越高,撕裂越小;进给速度越大,撕裂越大。
(4)切削速度Vc几乎对撕裂大小没有影响;进给量f对撕裂的影响基本成线性关系,进给量越大,撕裂越大。
(5) Vc/Vf≤3000~4000时, Vc/Vf增大撕裂值l下降极快;在 Vc/Vf>3000~4000时, Vc/Vf增大撕裂值l下降很小。 Vc/Vf与撕裂值l间在双对数坐标上基本成线性关系。
(6)在其他切削条件相同的前提下,钻头直径越大,撕裂越严重。
(7)钻削轴向力越大,撕裂越大,两者基本是上升二次曲线关系。

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