刀具横刃对复合材料制孔影响的仿真研究

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复合材料因其高比强度、高比刚度以及耐腐蚀性好等特点在航空航天领域和国防科技领域得到了广泛的应用。但由于其加工质量难以保证，大大限制了复合材料的应用。在复合材料的加工工艺中，制孔加工应用范围最广，而制孑L加工中产生的诸多问题也成为了复合材料加工亟待解决的难题。

为了改善复合材料制孔加工中产生的种种缺陷，国内外众多学者从多个方面进行了研究。文献㈣阐述了制孔缺陷与轴向力的关系并指出出口缺陷形状与麻花钻横刃长度有关；文献l5l在总结了前人工作的基础上提出钻头横刃是引起钻削轴向力并导致分层缺陷的主要因素。

针对麻花钻头横刃对碳纤维复合材料加工缺陷的影响，使用预钻导向孔的方法研究钻头横刃对钻削轴向力的影响，并进行有限元分析。研究主要针对导向孔以及切削参数对加工出口破坏的影响，并为改善加工质量，优选工艺参数提供参考。

2分析模型的建立2.1有限元分析模型的建立(a)未钻导向孔的加工模型 (b)已预钻导向孔的加工模型图1加工模型简图Fig.1 Schematic Processing Model在钻削加工过程中，随着钻头的进给运动，钻头即将完成切削，未切削部分厚度逐渐减小，出口处的材料受钻头的推挤作用会发生变形，导致纤维断裂和基体破损，直接造成纤维剥离、材料分层以及孔形不圆。这是由于钻头的进给运动产生的轴向力大于材料的层间结合力所致。轴向力是引起复合材料钻削加工缺陷的来稿日期：2012-08-07基金项目：中航产学研创新基金项 目(CxY20lOSH29)作者简介：王明海，(1971-)，男，山东济南人，工学博士，博士后，主要研究方向：精密高效数控加工技术；孙国强，(1989-)，男，内蒙古通辽人，硕士，主要研究方向：精密超精密加工技术238 王明海等：a-g-.横刃对复合材料制孔影响的仿真研究 第6期主要原因，而钻头横刃是产生轴向力的最主要因素，为研究钻头横刃对轴向力的影响，在工件上预留-个直径与钻头横刃长度相等的孔以消除横刃作用。未钻导向孔的加工模型，如图1(a)所示。已钻导向孔的加工模型，如图 l(b)所示。

工件模型采用S4R壳体单元，工件形状为边长 15cm的正方形，材料参数，如表 l所示。为提高模型的计算精度，在刀具与工件材料接触的区域细化网格。随着刀具的进给运动，删除失效单元以观察加工仿真结果。钻头模型由三维建模软件创建并导入有限元分析软件中进行使用。钻头在有限元分析过程中设置为刚体，并赋予z方向直线运动和转动，分别代表进给速度和主轴转速。

表 1复合材料参数Tab.1 Parameters of Composite MaterialEl E2，E3 t，12， I3 t，23 Gl2，Gl3 G23 X X。 Y Y SL Sl8l lO3 0.27 0.45 7.O 3-3 1151 ll23 37.9 173 99.97 99.97GPa GPa GPa GPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa22解析模型的建立树脂基复合材料由于其脆性和弹性，可使用线弹性断裂力学进行加工破坏的预测。

Hocheng和Dharan建立了钻削能量平衡方程如下6l：dxGldAdUGl"r(d2e) du (1)式中：F -钻削轴向力； -刀具引起分层后刀具的移动距离 ；G，-常数，形成张开型破坏的单位面积能量释放率；dA-产生的破坏面积；dC/-无穷小应变能；d-钻头直径 ；e-破坏长度。公式由经典层合板理论推导得出。

为研究钻头横刃对钻削轴向力的影响，运用线弹性断裂力学和经典层合板理论建立以下数值模型17]。

预钻导向孑L的层合板的受力模型，如图2所示。破坏半径可由下式求得 ：(a)预钻导向 L的钻削模型(b)材料出口分层受力示意图图 2预钻导向孔的层合板的受力模型Fig。2 The Bearing Model of Pre-Drill Pilot Hole Laminated Plates(2)P (b2彳)(1-v)26 (!v)log(b/a)- - - (! ) g( 丝2±-4rrD (1 )6 (1 )(6 )(1-v)2b(1v)tlog(b/a)l- 1-6wD- - - D- uT J( JW )rd (3)： l G，cE h3(1 -v)2 (1v) (c/d) 2I㈩ (c ) -8(13v)(c/d)。ln(c/d) J l3仿真结果及分析3.1jn-r质量评价指标表 2试验因素及水平表Tab.2 Test Factors and Levels出口破坏区域示意图，如图 3所示。通常用来衡量加工出口质量的指标是分层因子，分层因子可由下式表示 ：F D fD式中：D 出口处破坏区域的最大破坏直径； -实际制孔直径，分层因子 为二者之比。

区域破坏区域图 3出口破坏区域示意图Fig.3 Expo Damage Area Schematic通过研究钻头横刃对出口最大破坏半径和最大轴向力的影响，对比未钻导向孔和预钻导向孔两种模型在加工过程中产生的.Jr-o 皂P-r-4 --r-0 g k2 r 彻-8 Il ， 中其No.6June.201 3 机械设计与制造 243本控制等因素制约而无法增大，此时在保证加强板与外板最邢理间隙的情况下，为有效提高截面的扭转及弯曲刚度，应采取改变加强板位置的做法，增大 。尺寸，旧能使加强板靠近外板。

图29截面图Fig.29 Section4.2.2最大应力值分析从最大应力分析结果上看，加强板位置的改变和截面面积的改变使最大扭转应力及最大弯曲应力分别变化5.5%、1.1%及7.7%、11%，截面面积的增大能够较大幅度减小扭转及弯曲最大应力。

加强板厚度的增加使扭转及弯曲最大应力减小 O%及5.8%，加强板增厚对于降低高应力区嘬 大应力较有帮助。在进行截面设计时，除应最大限度保证截面面积外，可以采取优化加强板位置及增大加强板厚度的方法有效降低高应力区的最大应力。

如果截面面积及加强板位置的优化仍无法将最大应力降低至可接受的范围，可以采取增加加强板厚度的方法降低最大应力。

5结束语通过白车身截面设计中-个典型截面的CAE分析研究，初步探讨了在截面设士过程中加强板布置、加强板厚度、截面尺寸的改变对于扭转刚度、弯曲刚度及受力状态的影响，利用UGCAE软件分析了-些重要指标对截面性能的影响，为今后截面设计提供了-些指导。

截面设计是-个复杂的课题，从结构、材料厚度、截面尺寸方面对截面的扭转刚度、弯曲刚度及最大应力进行了研究，后续的研究可以把影响因素的范围扩大，进行更广泛深入的研究，为今后的截面设计工作提供更多更有价值的参考。