郑春龙

（意大利倍珞蒂机床上海分公司，上海 201906）

钻削是碳纤维复合材料加工中较为常见的一种加工模式，利用钻具的切削刃，在定位点上垂直于材料表面切削制孔。其中，钻头横刃由于线速度较低，对材料的切削作用有限，更多的是利用挤压和摩擦作用增加切削深度。由于碳纤维复合材料的强度较大，当轴向力达到一定程度时，一方面是导致材料出现断裂、分层的情况，另一方面也加剧了刀具的磨损。因此，通过开展切削制孔轴向力分析，明确影响碳纤维复合材料切削制孔中轴向力大小的因素，有助于改进加工工艺。

1 碳纤维复合材料切削制孔轴向力仿真分析

1.1 建立刀具模型

1.1.1 刀体建模

运用有限元分析软件ABAQUS 中的Part 模块，可以建立常规的工件模型和刀具模型，如标准麻花钻、大后角麻花钻、烛芯钻等。以标准麻花钻为例，建模时首先输入直径参数，选择圆柱实体，可以得到ϕ10 钻头实体。然后标记出圆柱体的轴线，设定螺旋角β 为30°，得到环绕圆柱体的螺旋线。根据标记出的螺旋线，保持顶角118°不变，采用“切削刃等分-圆柱螺旋扫掠法”，制作容屑槽，即可得到想要的刀体模型。基本参数为：刀具直径D 为10mm，钻芯直径d 为1.5mm，顶角弧度118°，刃厚m 为0.8mm，切削刃间距B 为6.8mm，截面内径q 为9.2mm，标准麻花钻的侧视图和俯视图如图1所示。

图1 刀体模型的侧视图和俯视图

1.1.2 钻头切削刃建模

麻花钻的钻头切削刃，根据其作用的不同又可分为主切削刃和副切削刃两种类型。在切削刃的建模方法上，常用的有参数化建模和后刀面刃磨两种。前者是首先确定切削刃的基本参数，然后利用建模软件画出后刀面，即可得到主、副切削刃。后者是先磨削钻头，自然形成后刀面，再收集各项参数。本次仿实验用中，选择锥面刃磨法制作钻头切削刃模型，成型后刀面不容易出现“翘尾”情况。以标准麻花钻模型为基础，通过修改参数可分别得到传统麻花钻、大后角麻花钻、台阶麻花钻、烛芯钻等模型，另外还建立了8mm 铣刀模型，共计5 种。

1.2 数值模拟前处理过程

模型准备完成后，运行ABAQUS 软件，在新建文件中导入刀具几何模型。在“设置”选项中，设定工件的参数，尺寸为24mm×24mm，型式为3D-deformable-Shell。保存之后，再打开软件中的Property 模块，设定复合材料的属性，包括剪切模量、泊松比等。保存之后，打开软件中的Composite Layup 模块，建立复合材料。设置材料的单层厚度为0.30mm，方向依次是0°、45°、90°、-45°。考虑到实际切削加工中，刀具和工件之间会存在较大的摩擦力，因此在仿真实验中也要设置摩擦系数。可调用该软件的Interaction 模块，设定摩擦系数为0.12。在该软件的Load 模块中，设置切削参数，转速有三档，分别是1500r/min、2000 r/min、3000 r/min；进给量有三档，分别是100mm/min、200 mm/min、300 mm/min。

1.3 切削制孔轴向力仿真分析

仿真过程中，设定参数为主轴转速3000r/min，轴向进给量100mm/min，收集随着刀具位移增加轴向力的变化数据，并绘制二维坐标曲线。不同刀具的轴向力变化情况如图2 所示。

图2 不同类型刀具的轴向力对比

结合图2 可知，两种麻花钻因为模型结构较为相似，所以轴向力变化规律也十分现实。钻头刚刚接触工件时，轴向力有明显的加大趋势，并且在主切削刃完全没入材料后，轴向力达到峰值。此时传统麻花钻的轴向力为75N，大后角麻花钻的轴向力为68N。两种刀具的位移量分别为2.8mm、2.5mm。之后随着钻头继续切削，轴向力开始减小，在刀具位移量5.7mm 和5.5mm 时，轴向力为0。烛芯钻与螺旋铣在碳纤维复合材料切削制孔中，轴向力变化相似。烛芯钻加工中，在刀具接触材料表面，至进给位移0.8mm 时，轴向力不断增加，在0.8mm 时达到峰值，为105N，之后刀具位移从0.8-1.5mm 之间，轴向力基本保持不变，在1.5-3.0mm 时，轴向力快速降低，最终为0。螺旋铣也基本保持了这一规律，但是在具体轴向力与刀具位移的具体关系上有一定变化。

结合仿真实验数据，总结5 种刀具切削制孔时，在进给量和主轴转速变化的情况下，最大轴向力结果如表1 所示。

表1 各种刀具进给量与主轴转速对轴向力的影响（单位：N）

结合表1 可知，在刀具类型和进给量相同的情况下，主轴转速越快，则轴向力越小；例如，大后角麻花钻在进给量为100mm/min 时，主轴转速为1500r/min 时，最大轴向力为90.4N，当转速增加至2000r/min 时，最大轴向力为81.3N。在刀具类型和主轴转速相同的情况下，进给量越大，则轴向力越大，两者为正比关系。

2 碳纤维复合材料切削制孔的缺陷实验

2.1 实验内容

碳纤维复合材料在切削制孔中有较高概率出现缺陷，多发生在孔口、孔壁位置。现以孔口缺陷为例，开展缺陷实验分析。选择一块厚度为5mm 的碳纤维复合板，使用ϕ10mm 的硬质合金刀具，设定切削参数为：钻削速度30-120m/min，进给速度0.1-0.3mm/min。另外为防止切屑飞溅和有效降温，使用水溶性切削液。实验在一台立式数控铣床上完成，主要参数如表2 所示。

表2 工作台基本参数

2.2 孔口缺陷情况

孔口出现毛边、分层是一种钻削加工中常见的质量缺陷。分层因子是衡量制孔质量的一个核心指标，其值越大，说明孔口分层缺陷越严重。因此，明确影响分层因子的因素，可以有效预防孔口缺陷的发生。设定进给量为1000mm/min，作为定量。主轴转速分别为1500r/min、2000 r/min、3000 r/min，对应的分层因子变化如图3 所示。

图3 主轴转速对分层因子的影响

按照同样的方法，设定主轴转速为1500r/min，作为定量。进给量分别为100mm/min、175 mm/min、200 mm/min，对应的分层因子如图4 所示。

综合图3、图4 变化规律，主轴转速为2000r/min，进给量为100mm/min 时，分层因子可以达到最小，切削制孔中出现孔口分层缺陷的概率较低，对提高制孔质量有积极帮助。

图4 进给量对分层因子的影响

3 结论

在碳纤维复合材料的推广使用中，如何提高其成孔加工质量是决定材料性能的关键因素。本文通过构建刀具模型，进行切削制孔轴向力的仿真分析，认为材料性能、刀具结构、切削参数等，对切削制孔轴向力的影响较为明显。同时，通过开展缺陷实验，进一步验证了进给量、主轴转速2 项指标对制孔缺陷的影响。今后在碳纤维复合材料的成孔工艺中，应合理设计切削参数，并选择合适的加工刀具，才能在提高成孔质量的基础上，降低刀具磨损。