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(xué) 材料工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

三維碳纖維增強復(fù)合材料[1-2](3D carbon fiber reinforced composites，3D-CFRP)較傳統(tǒng)二維復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)整體性的優(yōu)點，克服了分層缺陷的產(chǎn)生，在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛了應(yīng)用[3-4]?，F(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)中碳纖維復(fù)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(fù)合材料零件的機械性能造成損傷，鉆孔刀具影響復(fù)合材料開孔質(zhì)量及應(yīng)力分布，而應(yīng)力集中將導(dǎo)致復(fù)合材料的缺口處拉伸強度顯著降低[5]。

近年來，許多學(xué)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(xiàn)的刀具磨損問題，總結(jié)出如何選用刀具材料，并對刀具的結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)進行優(yōu)化以減少分層產(chǎn)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(zhì)量的影響[7]；段寶等就鉆頭材料及加工參數(shù)等幾個方面分析了鉆孔參數(shù)對復(fù)合材料加工質(zhì)量的影響，得出硬質(zhì)合金鋼鉆頭加工過程中復(fù)合材料磨損較少[8]；李晶等研究加工參數(shù)對鉆削軸向力的影響，發(fā)現(xiàn)鉆削軸向力受主軸轉(zhuǎn)速、進給量的影響顯著[9]；ENEYEW等用金剛石八面鉆對碳纖維復(fù)合材料鉆孔，研究了材料的加工損傷與表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)纖維拔出區(qū)域和刀具進給速度有關(guān)[10]；張明輝和劉暢等通過實驗數(shù)據(jù)并結(jié)合數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(shù)能有效提高加工精度。但層合板加工過程中不可避免發(fā)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(fā)現(xiàn)，三維編織結(jié)構(gòu)有良好的損傷容限性能，能有效避免鉆孔時材料的分層現(xiàn)象；梁雙強等研究開孔三維編織復(fù)合材料強度，發(fā)現(xiàn)所有三維編織復(fù)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(fā)現(xiàn)孔邊應(yīng)力集中主要分布在經(jīng)紗上，孔邊并未有分層缺陷，主要失效模式為經(jīng)紗斷裂和拔出[17]；TURKI等對比了鉆孔對2D和3D碳/環(huán)氧復(fù)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(fā)現(xiàn)使用短鉆頭產(chǎn)生的缺陷較小[18]；CADORIN等研究了加工參數(shù)對3D編織復(fù)合材料的加工質(zhì)量的影響和磨損機制，發(fā)現(xiàn)磨損機制由孔側(cè)面的磨損現(xiàn)象驅(qū)動，與取芯鉆相比，麻花鉆更具耐磨性[19-20]。

目前，關(guān)于機械加工方式對碳纖維復(fù)合材料鉆孔質(zhì)量及力學(xué)性能影響的研究多集中于層合板，而三維編織結(jié)構(gòu)使得復(fù)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(jié)構(gòu)的加工能力，基于三維編織技術(shù)本文選用頂角分別為118°、135°的2種麻花鉆對復(fù)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(fù)合材料加工質(zhì)量，研究不同刀具的鉆孔缺陷對三維編織復(fù)合材料加工質(zhì)量及力學(xué)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(shù)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(huán)氧樹脂YT-CC302S，昆山易拓復(fù)合材料有限公司產(chǎn)，性能參數(shù)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(shè)備有限公司)，采用真空導(dǎo)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(nèi)的三維編織織物增強材料浸滲,制備了3D-CFRP復(fù)合材料[21-23]。根據(jù)GB/T33613—2017制備標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備

本實驗所用加工刀具分別為高速鋼(HSS)麻花鉆和硬質(zhì)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(mào)易有限公司)鉆孔，采用UTM5504型萬能試驗機(深圳三思試驗設(shè)備有限公司)測試復(fù)合材料的拉伸性能。復(fù)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(biāo)準(zhǔn)測試3D-CFRP復(fù)合材料試樣的拉伸性能，加載速度為2 mm/min，每組數(shù)據(jù)取3個有效值，并求平均值。拉伸強度根據(jù)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(jié)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(fù)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(dāng)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(fù)合材料損傷容限比TS135加工的復(fù)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(jié)構(gòu)件開孔后強度下降42%～55%[17]。因此，三維編織結(jié)構(gòu)相較于層合板有更好的損傷容限。

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

圖2 2種3D-CFRP準(zhǔn)靜態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2可知：3D-CFRP由于開孔缺陷，應(yīng)力-應(yīng)變未呈線性變化，但在拉伸載荷下仍發(fā)生了典型的脆性斷裂，表現(xiàn)為隨著應(yīng)變增加到一定數(shù)值后應(yīng)力直接降低，不存在屈服階段。通過拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線也可以看出，開孔刀具的不同也對拉伸性能產(chǎn)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(yīng)力，產(chǎn)生更小變形。

出現(xiàn)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(jié)構(gòu)、鉆削參數(shù)和冷卻液等，其中刀具幾何結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)下，鉆頭產(chǎn)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(wěn)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(wěn)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(fù)合材料破壞分析

2.2.1 加工質(zhì)量

3D-CFRP在鉆削加工中易出現(xiàn)毛刺、撕裂及表面質(zhì)量差等加工損傷。加工損傷過大會嚴(yán)重破CFRP 構(gòu)件質(zhì)量，危害構(gòu)件的服役性能，縮短構(gòu)件的服役期限[25]。即使三維編織技術(shù)有效解決了CFRP層合板加工中出現(xiàn)的分層問題，在鉆削實驗中試樣仍出現(xiàn)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(fù)合材料開孔內(nèi)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(nèi)出現(xiàn)了內(nèi)表面凹凸不平的情況。

毛刺通常出現(xiàn)在復(fù)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(yán)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(chǎn)生的毛刺較少，加工質(zhì)量較高，對構(gòu)件的破壞程度更低。在鉆削過程中，隨刀具旋轉(zhuǎn)，切削角φ在0°～180°之間循環(huán)變化。當(dāng)φ位于0°～90°之間，刀具會對工件材料產(chǎn)生負方向的剪應(yīng)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(xué)理論分析：正剪切相當(dāng)于在纖維方向上受到拉應(yīng)力，而橫向受到壓應(yīng)力；負剪切時，纖維方向上受到壓應(yīng)力，而橫向受到拉應(yīng)力。碳纖維復(fù)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(qū)域內(nèi)循環(huán)時，不易鉆透最后一層材料，產(chǎn)生的毛刺、撕裂缺陷會更加明顯。

2.2.2 斷口破壞形態(tài)

未鉆孔的3D-CFRP試樣在拉伸試驗過程中并未出現(xiàn)明顯的形變和聲響。隨著拉力的不斷增大，試樣到達應(yīng)力極限發(fā)生斷裂，在斷裂同時發(fā)生巨大聲音，且斷裂不總是發(fā)生在樣品中間位置，表現(xiàn)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(dǎo)致。鉆孔后的試樣在受拉初期，在孔邊界區(qū)域有細小裂紋；隨著裂紋的逐步擴展，最后在孔周邊發(fā)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(dǎo)致試樣失效。在拉伸載荷作用下，孔周邊應(yīng)力集中點應(yīng)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(yīng)力集中點發(fā)生，并在應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)擴展。隨著缺陷的逐漸增大，破壞結(jié)構(gòu)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(fù)合材料斷口形態(tài)

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(guī)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(yīng)力集中處隨較長缺陷延展，造成斷口平整的現(xiàn)象；而HSS118加工有撕裂缺陷，所以斷裂時會在撕裂處發(fā)生“扯斷”，造成斷口不平整現(xiàn)象。

根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可知，三維編織復(fù)合材料拉伸失效主要表現(xiàn)為纖維拉拔和纖維斷裂。由于其編織結(jié)構(gòu)的特點會伴隨著局部區(qū)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(yīng)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(fā)生纖維“扯斷”，出現(xiàn)上述纖維拔出現(xiàn)象。

3 結(jié) 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(xiàn)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(xiàn)象；TS135加工后的缺陷多為細毛刺，毛刺長度較長，分布區(qū)域較廣，且孔內(nèi)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(chǎn)生，斷口呈不規(guī)則撕裂狀。2種刀具加工下的復(fù)合材料的失效形式均為沿孔周邊向外擴展，致使試樣失效。