刀具頂角對三維編織復合材料鉆孔質量及力學性能的影響

馬靜妍，賀辛亥，梁軍浩，梁歡歡，周光瑞，郭金磊，王龍躍

(西安工程大學 材料工程學院，陜西 西安 710048)

0 引 言

三維碳纖維增強復合材料[1-2](3D carbon fiber reinforced composites，3D-CFRP)較傳統二維復合材料具有結構整體性的優點，克服了分層缺陷的產生，在航空航天等領域得到廣泛了應用[3-4]?，F代飛機結構中碳纖維復合材料的連接方式仍然以機械緊固為主。鉆孔會對碳纖維增強復合材料零件的機械性能造成損傷，鉆孔刀具影響復合材料開孔質量及應力分布，而應力集中將導致復合材料的缺口處拉伸強度顯著降低[5]。

近年來，許多學者研究了3D-CFRP鉆孔加工工藝。郭玲等就高速切削CFRP過程中出現的刀具磨損問題，總結出如何選用刀具材料，并對刀具的結構、幾何參數進行優化以減少分層產生[6]；劉漢良等將加工刀具分類，探索了不同鉆頭和銑刀對芳綸纖維加工質量的影響[7]；段寶等就鉆頭材料及加工參數等幾個方面分析了鉆孔參數對復合材料加工質量的影響，得出硬質合金鋼鉆頭加工過程中復合材料磨損較少[8]；李晶等研究加工參數對鉆削軸向力的影響，發現鉆削軸向力受主軸轉速、進給量的影響顯著[9]；ENEYEW等用金剛石八面鉆對碳纖維復合材料鉆孔，研究了材料的加工損傷與表面質量，發現纖維拔出區域和刀具進給速度有關[10]；張明輝和劉暢等通過實驗數據并結合數值模擬，發現分層后層合板疲勞強度只有靜強度的67%～77%[11-12]。上述研究發現，在碳纖維層合板鉆孔工藝中，選用合理的加工刀具及加工參數能有效提高加工精度。但層合板加工過程中不可避免發生分層問題，材料強度也大為降低。針對這些問題，文獻[13-14]研究發現，三維編織結構有良好的損傷容限性能，能有效避免鉆孔時材料的分層現象；梁雙強等研究開孔三維編織復合材料強度，發現所有三維編織復合材料開孔后均能保持75%及以上的拉伸強度[15-16]；GUO等分析開孔板漸進損傷，發現孔邊應力集中主要分布在經紗上，孔邊并未有分層缺陷，主要失效模式為經紗斷裂和拔出[17]；TURKI等對比了鉆孔對2D和3D碳/環氧復合材料性能的影響，測試了2種鉆孔幾何形狀下的鉆孔缺陷，發現使用短鉆頭產生的缺陷較小[18]；CADORIN等研究了加工參數對3D編織復合材料的加工質量的影響和磨損機制，發現磨損機制由孔側面的磨損現象驅動，與取芯鉆相比，麻花鉆更具耐磨性[19-20]。

目前，關于機械加工方式對碳纖維復合材料鉆孔質量及力學性能影響的研究多集中于層合板，而三維編織結構使得復合材料能在加工后保留更大強度，避免了層合板分層問題。為了評價開孔刀具結構的加工能力，基于三維編織技術本文選用頂角分別為118°、135°的2種麻花鉆對復合材料進行孔加工，通過分析開孔后的拉伸性能、出口缺陷及斷裂形貌，檢測三維編織復合材料加工質量，研究不同刀具的鉆孔缺陷對三維編織復合材料加工質量及力學性能的影響。

1 實 驗

1.1 材料與試樣

所用纖維為日本東麗碳纖維(CF)T300-6K，增強纖維的性能參數為斷裂強度3.5 GPa，拉伸模量230 GPa，密度1.76 g·cm-3；樹脂為雙組份環氧樹脂YT-CC302S，昆山易拓復合材料有限公司產，性能參數為黏度200～300 mPa·s，抗壓強度320 MPa，彎曲強度230 MPa。

使用Edwards RV12真空泵(東莞皓日機電設備有限公司)，采用真空導入成型工藝(VIP),在真空負壓條件下，利用樹脂流動和滲透對密閉可加熱模具內的三維編織織物增強材料浸滲,制備了3D-CFRP復合材料[21-23]。根據GB/T33613—2017制備標準試件。無孔和有孔試樣的尺寸如圖1(a)、(c)所示，實際試件如圖1(b)、(d)所示，試件尺寸單位為mm。

(a)無孔試樣尺寸

1.2 儀器與設備

本實驗所用加工刀具分別為高速鋼(HSS)麻花鉆和硬質合金鋼(TS)麻花鉆(美國巴賽特有限公司)。其中HSS鉆頭頂角為118°，TS頂角為135°，分別記為HSS118及TS135。采用Proxxon FF230精密臺式鉆床(德國普頌德科貿易有限公司)鉆孔，采用UTM5504型萬能試驗機(深圳三思試驗設備有限公司)測試復合材料的拉伸性能。復合材料的加工缺陷用超景深顯微鏡VHX-5000觀察；斷面形貌則使用掃描電子顯微鏡QUANTA-450-FEG(美國FEI公司)觀察。

1.3 性能測試

按照ASTM D5766標準測試3D-CFRP復合材料試樣的拉伸性能，加載速度為2 mm/min，每組數據取3個有效值，并求平均值。拉伸強度根據式(1)計算。

σt=F/(b×h)

(1)

式中：F為屈服載荷，N；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm。

2 結果與討論

2.1 拉伸強度

2種刀具加工的不同孔徑3D編織復合材料拉伸強度如表1所示。

表 1 2種刀具加工的3D-CFRP拉伸強度

從表1可以看出：當切削刀具為HSS118時，3D-CFRP在加工孔徑為3、4、5、6 mm時的拉伸強度都比切削刀具為TS135時的強度要高。在孔徑為4 mm時，兩者強度差距最大，HSS118鉆削下的強度比TS135的高9.63%；其他孔徑下，前者強度皆比后者高7.51%～9.18%。

可見，在相同加工工況下，HSS118加工的復合材料損傷容限比TS135加工的復合材料高，材料所受破壞程度更小，破壞后保留的拉伸強度更高。在實驗中，同時測試了無開孔的拉伸試樣，其拉伸強度為580.01 MPa。與無開孔試樣拉伸強度對比，開孔后三維編織試樣的強度下降22%～30%，而層合板結構件開孔后強度下降42%～55%[17]。因此，三維編織結構相較于層合板有更好的損傷容限。

復合材料的拉伸應力-應變曲線如圖2所示，圖例中前面的字母與數字代表刀具型號，最后一位數字代表孔徑大小(mm)。

圖2 2種3D-CFRP準靜態下的應力-應變曲線

從圖2可知：3D-CFRP由于開孔缺陷，應力-應變未呈線性變化，但在拉伸載荷下仍發生了典型的脆性斷裂，表現為隨著應變增加到一定數值后應力直接降低，不存在屈服階段。通過拉伸應力-應變曲線也可以看出，開孔刀具的不同也對拉伸性能產生了一定的影響。從圖2還可以觀察到，用HSS118加工的材料的損傷容限更好，其加工后的材料相較于TS135加工后的材料剛度更大，強度更高，因而能夠承受更大應力，產生更小變形。

出現這種情況的原因是鉆削過程中軸向力不同。影響鉆削軸向力的因素很多，如刀具材料與幾何結構、鉆削參數和冷卻液等，其中刀具幾何結構影響最大[24]。在鉆削過程中，鉆削力主要來源于切削過程中纖維材料和樹脂基體對刀具產生的回彈抗力、刀具與切屑、孔壁表面之間的摩擦力等，如圖3所示。

圖3 鉆削力示意圖

由于鉆頭的對稱性，主副切削刃產生的徑向分力大小相等方向相反而相互抵消，其余力則合成為軸向力FZ。軸向力對材料進行切削作用，即有

FZ=FZ1+FZ2+FZ3

(2)

FX2=FX3

(3)

式中：FZ1為橫刃力；FZ2為主切削刃力；FZ3為副切削刃力；FX2、FX3分別為主副切削刃徑向分力。

HSS118頂角為118°，在同種加工參數下，鉆頭產生的主切削刃力FZ2比TS135的要大，材料去除率更高，使得鉆削過程更快更順利,減少了鉆削過程中材料碎屑對孔壁的摩擦破壞時間，對材料的破壞程度更低。TS135鉆頭頂角大，使總軸向力FZ增大，過大的軸向力引起鉆削過程的不穩定。鉆頭頂角的減小使得鉆頭前角減小，單位長度切削刃的軸向力減小，使切削更穩定，造成的破壞更小，使材料能夠更大程度保持其原有性能。

2.2 復合材料破壞分析

2.2.1 加工質量

3D-CFRP在鉆削加工中易出現毛刺、撕裂及表面質量差等加工損傷。加工損傷過大會嚴重破CFRP 構件質量，危害構件的服役性能，縮短構件的服役期限[25]。即使三維編織技術有效解決了CFRP層合板加工中出現的分層問題，在鉆削實驗中試樣仍出現了不同程度的其他加工損傷。其中最為明顯的是毛刺和撕裂缺陷。用超景深顯微鏡VHX-5000觀察孔周圍加工情況，放大倍率50倍，復合材料開孔內部形貌如圖4所示。

(a)HSS118 (b)TS135

圖4(a)是HSS118加工后孔的毛刺和撕裂圖。從圖4可以看出，HSS118加工損傷主要為出口處片狀毛刺和試樣入口處的撕裂。圖4(b)是TS135開孔的損傷形貌圖。與HSS118不同的是，它的毛刺多為細毛刺，孔入口處并無明顯撕裂，但可以觀察到孔內出現了內表面凹凸不平的情況。

毛刺通常出現在復合材料的鉆削出口處。對毛刺缺陷的評價，存在一維和二維評價方法。一維評價方法只考慮毛刺長度的影響，無法對毛刺缺陷進行全面地描述和評價。因而，采用二維面積法評價毛刺缺陷。毛刺缺陷的嚴重程度通過毛刺因子δ量化，可表示為

δ=A0/A

(4)

式中：A0為毛刺面積；A為加工孔的公稱面積。首先用Photoshop軟件勾勒出毛刺實際輪廓，如圖4(c)、(d)所示，再用ImageJ軟件測量出毛刺缺陷面積。通過上述方法可以得到HSS118鉆孔毛刺因子δ1=0.136 7，TS135鉆孔δ2=0.140 4。

可見，δ1<δ2。相較于TS135加工后的試樣，HSS118加工后產生的毛刺較少，加工質量較高，對構件的破壞程度更低。在鉆削過程中，隨刀具旋轉，切削角φ在0°～180°之間循環變化。當φ位于0°～90°之間，刀具會對工件材料產生負方向的剪應力。因此可將加工過程分為2個階段，切削角為銳角時稱為正剪切，切削角為鈍角時稱為負剪切。從材料力學理論分析：正剪切相當于在纖維方向上受到拉應力，而橫向受到壓應力；負剪切時，纖維方向上受到壓應力，而橫向受到拉應力。碳纖維復合材料纖維方向的抗拉強度大于抗壓強度，而橫向的抗壓強度大于抗拉強度，因此工件處于負剪切時更容易被切斷。因而，正剪切時，材料不易被剪斷，容易形成毛刺缺陷。TS135頂角較大，頂角增大時，鉆頭的鋒利程度就會減小，耐磨性增大。在正剪切區域內循環時，不易鉆透最后一層材料，產生的毛刺、撕裂缺陷會更加明顯。

2.2.2 斷口破壞形態

未鉆孔的3D-CFRP試樣在拉伸試驗過程中并未出現明顯的形變和聲響。隨著拉力的不斷增大，試樣到達應力極限發生斷裂，在斷裂同時發生巨大聲音，且斷裂不總是發生在樣品中間位置，表現出脆性材料的破壞特性。主要是由于樹脂開裂和碳纖維斷裂所導致。鉆孔后的試樣在受拉初期，在孔邊界區域有細小裂紋；隨著裂紋的逐步擴展，最后在孔周邊發生脆性斷裂?？赡苁怯捎诶燧d荷作用下，裂紋會沿著孔周邊和編織角方向擴展，導致試樣失效。在拉伸載荷作用下，孔周邊應力集中點應位于孔邊界與外部所施載荷方向的相交之處，因此缺陷必然會先從該應力集中點發生，并在應力集中區域內擴展。隨著缺陷的逐漸增大，破壞結構件的整體性，致使試樣完全失效。

2種刀具加工下的試樣斷裂樣貌也略有不同。圖5為2種試樣斷口形貌圖，其中1～3為TS135加工試樣，4～6為HSS118加工試樣。

圖5 2種3D編織復合材料斷口形態

TS135加工試樣裂紋多沿著編織角方向橫向擴展，最終失效，斷口平整；而HSS118加工試樣有明顯的裂紋，裂紋則沿著編織角方向縱向擴展，最終失效，斷口較為不規則。兩者都符合上述失效方式，但TS135加工缺陷更長，所以裂紋會在應力集中處隨較長缺陷延展，造成斷口平整的現象；而HSS118加工有撕裂缺陷，所以斷裂時會在撕裂處發生“扯斷”，造成斷口不平整現象。

根據其結構特點可知，三維編織復合材料拉伸失效主要表現為纖維拉拔和纖維斷裂。由于其編織結構的特點會伴隨著局部區域的纖維“扭折”，有利于減緩試樣的失效[26]。試樣斷口的掃描電鏡照片如圖6所示。

(a)HSS118開孔斷口形貌(×200) (b)標準HSS118開孔斷口形貌(×1 000)

圖6(a)、(b)是HSS118開孔斷口處的形貌。試樣在拉伸載荷作用下，纖維的破壞以纖維拔出斷裂為主，斷面不平整，有較多纖維拔出。從圖6(b)還可以觀察到，拔出纖維的表面并不光滑，附著有浸滲的樹脂基體，說明纖維的拔出不是由于基體與纖維界面結合不良問題引起。圖6(c)、(d)是TS135開孔斷口處的形貌。TS135開孔的試樣在拉伸力作用下以纖維整束剪切斷裂為主，只有少量的纖維拔出，纖維束斷裂面較為平整。造成兩者差異的原因是試樣在拉伸載荷下失效時，TS135加工缺陷較為細長，裂紋在應力集中處隨較長缺陷延展，所以纖維束斷裂平整；而HSS118加工試樣有撕裂缺陷，呈塊狀，斷裂時會在撕裂處發生纖維“扯斷”，出現上述纖維拔出現象。

3 結 論

1)同種加工工況下，HSS118加工后材料的損傷容限比TS135刀具加工的材料更好，所受破壞程度更小，拉伸性能更好，能更大程度保留試樣原有的剛度和強度。HSS118鉆削下的材料拉伸強度比TS135的高7.51%～9.63%。

2)相同加工工況下，兩種刀具加工后的孔周邊都出現了不同程度的加工損傷，TS135刀具加工下的毛刺因子比TS118的大2.01%。HSS118加工后的缺陷多為片狀毛刺，毛刺面積較小，且出口處伴有輕微的撕裂現象；TS135加工后的缺陷多為細毛刺，毛刺長度較長，分布區域較廣，且孔內伴有凹凸不平的缺陷。

3)TS135加工試樣無較長裂紋且斷口與斷面略微平整，而HSS118加工試樣則有裂紋產生，斷口呈不規則撕裂狀。2種刀具加工下的復合材料的失效形式均為沿孔周邊向外擴展，致使試樣失效。