纵扭复合超声振动辅助钻削中碳纤维增强复合材料的缺陷抑制机理

《Machines》：Defect Suppression Mechanism of CFRP in Longitudinal-Torsional Coupled Ultrasonic Vibration-Assisted Drilling

　　

碳纤维增强复合材料（CFRP）因其优异的力学和物理性能，已在航空航天工业中得到广泛应用。然而，其各向异性和较弱的层间结合力使其在传统钻削（CD）过程中易于产生分层和纤维拔出等缺陷。纵扭复合超声振动辅助钻削（LTC-UAD）通过耦合轴向振动和周向振动来抑制孔缺陷，被认为是提高CFRP制孔质量的一种有前景的加工方法。基于运动学分析，建立了主切削刃工作前角模型，以获得最大工作前角沿切削刃的变化规律。与CD和纵向超声振动辅助钻削（L-UAD）相比，LTC-UAD显著增大并均匀化了主切削刃的最大工作前角，这有助于优化其切削性能。构建了CFRP的三维有限元模型，以分析典型纤维取向下的动态纤维去除过程。最后，通过钻削实验观察了不同纤维角度下的孔壁微观形貌。仿真结果表明，超声振动引起纤维切削角的周期性变化，使纤维处于定向剪切状态，更易发生剪切断裂。二维超声振动切削增强了定向剪切效应，促进纤维断裂，加速切屑排出，并提高了已加工表面质量。实验观察证实，LTC-UAD减轻了纤维压溃、裸纤维和表面凹腔，且树脂覆盖均匀。此外，超声振动抑制了推力。L-UAD和LTC-UAD分别通过周期性切削深度变化和促进碳纤维剪切断裂，使推力降低了10.6%和17.1%。

碳纤维增强复合材料（CFRP）凭借高比强度与近净成形性能，广泛用于民航客机与先进战斗机结构件制造。飞机装配中需在CFRP构件上加工大量连接孔，但其层合结构层间结合强度低、各向异性显著，传统钻削（CD）易产生分层、撕裂、毛刺、孔壁凹坑和纤维拔出等典型缺陷。纵向超声振动辅助钻削（L-UAD）仅沿进给方向施振，不能充分发挥超声振动对主切削刃切削性能的优化作用；纵扭复合超声振动辅助钻削（LTC-UAD）同时施加轴向与周向振动，抑制孔缺陷潜力显著。但既有研究鲜有从刀具运动学角度揭示纵扭复合振动对主切削刃工作前角与切削轨迹的影响机理，对典型纤维取向微观损伤行为研究不足，缺少模拟-实验相结合的系统对比。研究人员综合运用运动学分析、有限元模拟与钻削实验，以CD和L-UAD为对照，建立了三种工艺主切削刃运动轨迹方程与工作前角模型，构建了含纤维、树脂及界面的CFRP三维有限元模型，并通过钻削实验观察孔壁微观形貌、测量钻削推力，全面揭示了LTC-UAD抑制CFRP钻削缺陷的内在机理，论文发表于《Machines》。

建立三种工艺主切削刃运动轨迹方程与工作前角模型；构建含纤维、树脂及界面的CFRP三维有限元模型（250 μm×200 μm×16 μm），碳纤维本构由VUMAT定义，树脂采用Johnson-Cook本构，界面以Benzeggagh-Kenane准则描述，材料参数来自中国商飞复合材料中心；进行常规切削（CC）、一维超声振动切削（1D UVC）和二维超声振动切削（2D UVC）正交切削模拟；在NHM800加工中心对28层[?45/0₂/45/0/90/0]_S2 CFRP层合板开展CD、L-UAD、LTC-UAD钻削实验。

**5.1 不同振动形式下CFRP去除行为的模拟分析**

*0°纤维方向*：CC下切削层在正前角向上分力作用下剥离基体，经弯曲断裂去除，刃口下方纤维被压溃至已加工表面。1D UVC下纤维先轴向压溃，随后层间分离并弯曲断裂，表面残留三层断裂纤维。2D UVC下弯曲断裂发生在第二振动循环，断纤更长，仅两层纤维被压溃。

*45°纤维方向*：CC下纤维在刃口处剪切断裂后堆积，并挤压后方未切断纤维在已加工表面上方发生二次断裂，残余纤维长度不一致，断纤粘附于表面。1D UVC下纤维发生断面平滑的剪切断裂，但断裂面延伸较深，形成锯齿状表面。2D UVC下椭圆轨迹使纤维更易剪切断裂，断裂面延伸更浅、锯齿更小，表面质量更优。

*90°纤维方向*：CC下纤维经弯曲断裂去除，断裂时x向变形10.52 μm，断裂位置深且随机（d_p=16.19 μm）。1D UVC下纤维呈压溃-剪切-弯曲混合断裂，变形降至5.83 μm，断裂深度减至9.05 μm。2D UVC下变形降至4.65 μm，断裂深度减至7.96 μm，断纤更易脱离表面。

*135°纤维方向*：CC下四根纤维断裂，断口与水平面夹角26.62°。1D UVC下第一循环五根纤维断裂，夹角增至41.9°，部分断纤在后续循环被挤入表面。2D UVC下六根纤维断裂，夹角36.79°，全部断纤被排出，避免二次挤压损伤。

**5.2 孔壁微观形貌**

0°方向：CD下孔壁有明显纤维裂纹、压溃和碎片；两种UAD下碎片显著减少、断面更平整，源于副切削刃椭圆轨迹的刮擦抛光和树脂均匀涂覆。45°方向：CD下可见悬垂纤维；UAD下呈锯齿状表面，纤维以剪切断裂为主。90°方向：CD下弯曲断裂位置深于表面形成凹腔；L-UAD下断裂变浅但仍有碎片；LTC-UAD下断裂最浅、切屑分离充分。135°方向：CD下大量裸纤维暴露；L-UAD下树脂覆盖面积扩大；LTC-UAD下树脂附着均匀，仅存少量微腔。

**5.3 推力**

相比CD，L-UAD和LTC-UAD推力分别降低10.6%和17.1%。L-UAD中轴向振动使瞬时切削深度正弦变化，后刀面冲击与前刀面提拉共同降低平均推力，并改善横刃切削状态。LTC-UAD中切向振动叠加于主切削速度，产生变速切削与变向剪切效应，促进碳纤维剪切断裂（剪切强度远低于拉伸强度），减力更显著。

**讨论与结论**

正交切削模型忽略横刃挤压切削及钻头螺旋进给运动，无法表征横刃重复切削累积损伤和连续排屑行为，且仅模拟单次切削，故结果仅用于定性揭示三种工艺去除机制的差异。研究结论表明：LTC-UAD通过纵扭耦合形成椭圆复合切削路径，显著增大并均匀化主切削刃最大工作前角，尤其改善横刃附近切削条件；模拟显示，CC以深层弯曲断裂为主，1D UVC形成剪切-弯曲混合断裂，2D UVC椭圆轨迹强化剪切断裂、缩短亚表面损伤并加速排屑；孔壁形貌部分验证了上述机制，LTC-UAD表面完整性显著改善；超声振动有效抑制推力，LTC-UAD减力性能最优。