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钻削参数对碳纤维复合材料钻孔质量的分析

王天宇 金成哲 邵雍博

王天宇, 金成哲, 邵雍博. 钻削参数对碳纤维复合材料钻孔质量的分析[J]. 制造技术与机床, 2022, (8): 41-48. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.08.006
引用本文: 王天宇, 金成哲, 邵雍博. 钻削参数对碳纤维复合材料钻孔质量的分析[J]. 制造技术与机床, 2022, (8): 41-48. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.08.006
WANG Tianyu, JIN Chengzhe, SHAO Yongbo. Analysis of drilling parameters on drilling quality of carbon fiber reinforced plastics[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2022, (8): 41-48. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.08.006
Citation: WANG Tianyu, JIN Chengzhe, SHAO Yongbo. Analysis of drilling parameters on drilling quality of carbon fiber reinforced plastics[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2022, (8): 41-48. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.08.006

钻削参数对碳纤维复合材料钻孔质量的分析

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.08.006
详细信息
    作者简介:

    王天宇,男,1997年生,硕士研究生,研究方向先进切削加工技术。E-mail:1819492753@qq.com

    通讯作者:

    金成哲,男,1971年生,工学博士,教授,研究方向为先进切削加工技术和数控装备设计及应用,辽宁省百千万人才工程千人人选,已发表论文60余篇。E-mail:jinchengzhe71@163.com

  • 中图分类号: TG506

Analysis of drilling parameters on drilling quality of carbon fiber reinforced plastics

  • 摘要: 碳纤维复合材料(CFRP)由于其层间强度低,各向异性等特点,极易出现加工损伤,而钻削参数的选取,对钻孔质量有着很大的影响。利用有限元软件建立钻削T300碳纤维复合材料仿真模型,选择不同切削用量进行钻削加工仿真,分析切屑及其形成原因。采用正交试验法进行钻削加工试验,将得到的钻孔毛刺、撕裂、分层损伤和孔壁损伤等几种损伤试验结果,与仿真结果进行对比验证并分析其产生原因。结果表明:对T300碳纤维复合材料钻孔时,孔出口处撕裂缺陷远大于孔入口处缺陷,即入口处钻孔质量要好于出口处钻孔质量。对孔出、入口处撕裂值影响程度最大的是钻头直径,切削速度次之,进给量影响最小;而对孔径尺寸误差影响最大的是钻头直径,进给量次之,切削速度影响最小。

     

  • 图  1  刀具与工件仿真装配图

    图  2  工件网格划分

    图  3  工件铺层

    图  4  T300碳纤维复合材料钻削应力变化仿真图

    (切削条件:钻头直径为10 mm,切削速度为70 m/min,进给量为0.02 mm)

    图  5  切削角θ的定义示意图

    图  6  钻削过程中切削角示意图

    图  7  不同切削角的切削示意图

    图  8  T300碳纤维复合材料的单向板

    图  9  整体硬质合金麻花钻

    图  10  VMC850E立式加工中心

    图  11  钻削试验现场

    图  12  VHX-1000C超景深三维显微放大镜

    图  13  试验采集的切屑

    图  14  仿真得到切屑样态

    图  15  孔入口处毛刺损伤

    图  16  孔出口处毛刺损伤

    图  17  试验碳纤维复合材料钻削分层现象

    图  18  仿真碳纤维复合材料钻削分层现象

    图  19  毛刺和撕裂的试验结果

    图  20  毛刺和撕裂的仿真结果

    图  21  孔壁损伤的试验结果

    图  22  孔壁损伤的仿真结果

    图  23  孔的最大撕裂示意图

    表  1  刀具物理性能参数表

    牌号硬度/
    HRA
    抗弯强度/
    MPa
    密度/
    (g/cm3)
    杨氏模量/
    (kN/mm2)
    热膨胀系数/
    ×10−6
    抗压强度/
    MPa
    YG889.51 60014.56004.54 470
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    表  2  工件材料物理性能参数表

    材料密度ρ/(kg/mm3)强度σ/GPa弹性模量E/GPa
    碳纤维(T300)1.753.59~7.00225~228
    环氧树脂1.1~1.30.060~0.0953~4
    单向CFRP1.61.5(纵向)
    0.06(横向)
    134(纵向)
    8.6(横向)
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    表  3  三维工程常数材料本构模型参数表

    杨氏模量E/MPa泊松比γ剪切模量G/MPa
    1144 0000.3124 680
    29 3000.3124 680
    39 3000.3204 000
    下载: 导出CSV

    表  4  T300碳纤维复合材料的Hashin损伤参数表

    拉伸强度/MPa压缩强度/MPa剪切强度/MPa
    横向53.823290
    纵向1 6331 02180.4
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    表  5  外冷型整体硬质合金麻花钻参数

    钻头直径d/mm4、10、16
    顶角Ф/(°)140
    螺旋角β/(°)30
    铲磨后角/(°)8~10
    有效刃长/mm24
    下载: 导出CSV

    表  6  钻孔正交试验参数

    钻头直径d /mm切削速度vc /(m/min)进给量f /(mm/r)
    14400.02
    24700.05
    341000.08
    410400.05
    510700.08
    6101000.02
    716400.08
    816700.02
    9161000.05
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    表  7  孔出口处最大撕裂值正交试验结果及极差分析

    序号钻头直径
    d/mm
    切削速度
    vc/(m/min)
    进给量
    f/(mm/r)
    出口处的最大
    撕裂值/μm
    1 1 1 1 681.82
    2 1 2 2 694.79
    3 1 3 3 733.92
    4 2 1 2 1 257.43
    5 2 2 3 1 532.31
    6 2 3 1 1 362.56
    7 3 1 3 1 505.42
    8 3 2 1 1 284.42
    9 3 3 2 2 126.07
    K1 2 110.53 3 444.67 3 328.80
    K2 4 152.30 3 511.52 4 078.29
    K3 4 915.91 4 222.55 3 771.65
    k1 703.51 1 148.22 1 109.60
    k2 1 384.10 1 170.51 1 359.436
    k3 1 638.63 1 407.52 1 257.22
    R 935.13 259.30 147.62
    因素 主→次 d>vc>f
    本次试验的最优方案:d1vc1f1
    下载: 导出CSV

    表  8  孔入口处最大撕裂值正交试验结果及极差分析

    序号钻头直径
    d/mm
    切削速度
    vc/(m/min)
    进给量
    f/(mm/r)
    入口处的最大
    撕裂值/μm
    1 1 1 1 214.73
    2 1 2 2 260.76
    3 1 3 3 278.64
    4 2 1 2 281.11
    5 2 2 3 365.64
    6 2 3 1 289.96
    7 3 1 3 526.06
    8 3 2 1 502.75
    9 3 3 2 624.31
    K1 754.04 1 021.90 1 007.44
    K2 936.71 1 053.47 1 166.18
    K3 1 653.12 1 192.91 1 170.34
    k1 251.35 340.63 335.81
    k2 312.24 351.16 388.73
    k3 551.04 397.64 390.11
    R 299.69 57.01 54.30
    因素 主→次 d>vc>f
    本次试验的最优方案:d1vc1f1
    下载: 导出CSV

    表  9  孔径尺寸误差正交试验结果及极差分析

    序号钻头直径
    d/mm
    切削速度
    vc/( m/min)
    进给量
    f/(mm/r)
    孔径尺寸
    误差值/μm
    1 1 1 1 2.30
    2 1 2 2 7.36
    3 1 3 3 8.74
    4 2 1 2 184.93
    5 2 2 3 189.04
    6 2 3 1 181.24
    7 3 1 3 365.59
    8 3 2 1 355.58
    9 3 3 2 360.78
    K1 18.40 552.82 539.12
    K2 555.21 551.98 553.07
    K3 1 081.95 550.76 563.37
    k1 6.13 184.27 179.71
    k2 185.07 183.99 184.36
    k3 360.65 183.57 187.79
    R 354.52 0.7 8.08
    因素 主→次 d>f>vc
    本次试验的最优方案:d1vc3f1
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-30
  • 录用日期:  2022-05-11
  • 网络出版日期:  2022-08-25

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