碳纤维增强热塑性复合材料的低温钻削：实验评估、有限元分析与多目标优化

《Journal of Manufacturing Processes》：Cryogenic drilling of CFRTP: Experimental evaluation, finite element analysis, and multi-objective optimization

　　**摘要**低温钻削已被探索用于减轻热损伤，但现有研究主要集中在钻削力和分层等表面质量指标上，而低温加工与孔承载能力之间的关系则一直被忽视。为弥补这一空白，本研究建立了热塑性复合材料的温度依赖本构模型，并使用VUMAT子程序进行钻削有限元仿真。研究了干切削和低温条件下冷却温度、主轴转速和进给率对钻削力、孔质量和静承载强度的综合影响。在此基础上，开发了一个基于响应面方法（RSM）的多目标优化模型，以平衡损伤抑制、接头可靠性和加工效率。结果表明，与干切削相比，低温加工使钻削力增加了35–50%，提高了孔的整体精度，并减少了毛刺的形成；同时，承载强度呈现非单调趋势，先增加约10%，然后下降约17%，而分层因子则呈相反趋势，先下降后上升。优化模型预测值与钻削力和静承载强度的实验值之间的平均相对误差分别为9.97%和13.93%。**引言**碳纤维增强热塑性（CFRTP）复合材料由于其卓越的耐高温性能、可修复性、可回收性和抗冲击性，相较于热固性复合材料，已成为下一代航空航天性能升级的核心材料以及全球先进材料研究的焦点[1]、[2]。尽管CFRTP部件可以使用近净成形工艺制造[3]，但钻削操作在结构装配中仍然是不可或缺的[4]、[5]、[6]。这对于主要承力结构尤为关键，在这些结构中，紧固件孔承受着复杂的载荷和应力集中，需要极高的孔质量。作为一种难加工材料[7]，CFRTP容易出现毛刺、分层和纤维拔出等钻削缺陷，这会严重损害其服役性能。此外，切削过程中的热量积累会引起热-力耦合效应，导致树脂软化[8]和纤维约束减弱，进而引起热致损伤，最终降低加工质量[9]、[10]、[11]。复合材料的吸湿性[12]限制了传统切削液的使用，因为这可能会导致界面强度降低，使得低温冷却（例如液氮(LN?)/液态二氧化碳(LCO?)）成为一种有吸引力的替代方案[13]，它可以通过相变提供高效的冷却，同时避免流体引起的材料退化。针对热固性复合材料的低温加工已经建立了系统的理论。目前的研究一致表明，低温冷却是抑制热损伤的有效解决方案[14]、[15]。Zhang等人[16]研究了冷却和润滑对切削力、表面质量、温度和刀具磨损的影响。他们发现，与干切削相比，低温加工使切削力高出16%，同时表面粗糙度降低了40%，切削温度降低了55%，刀具磨损减少了65%。Slamani等人[17]研究了石墨烯和蜡润滑剂在CFRP钻削过程中对切削力和钻削温度的影响，发现它们的组合可以减少切削力和钻削温度。然而，由于热-力耦合响应，最佳配方需要在润滑作用和基体增强效应之间进行权衡。Zou等人[18]比较了干切削和CO?低温条件下CFRP层压板的铣削性能，观察到在低温环境下切削温度降低，CFRP可断裂性提高，且表面粗糙度更低。Morkavuk等人[19]报告了经低温处理的CFRP拉伸强度和模量有所增加，LN?浸没铣削显示出更高的切削力，但表面光洁度得到了改善。Rodríguez等人[20]在使用CO?冷却钻削CFRP-Ti6Al4V叠层时实现了更严格的孔公差（偏差<0.5%），Nagaraj等人[21]的研究也证实了这一点。尽管热塑性复合材料的干切削已被广泛研究[22]，但在CFRP低温加工研究的基础上，热塑性塑料的低温辅助加工也取得了快速发展。Ferreira等人[23]比较了CF/PPS的低温钻削和干钻削，发现低温可以抑制分层，但增加了推力，加剧了出口侧的损伤。Yan等人[24]研究了CF/PEEK在玻璃化转变温度（*T*g）以上和以下的加工，观察到在*T*g以上出现的树脂涂抹和纤维变形在*T*g以下使用涡流管冷却时显著减少。Wang等人[25]证明LN?冷却可以抑制树脂软化，在航空航天级钻削中，分层减少了73%，力波动降低了40%。Xu的团队[26]将分子动力学与低温铣削实验相结合，揭示了-196 °C下的脆性去除机理，该机理防止了纤维拔出和毛刺的形成，使表面粗糙度改善了60%。为了实现可持续性，Liu等人[27]开发了一个生命周期评估（LCA）模型，表明与传统切削液相比，LCO?冷却将碳足迹减少了82%，在闭环系统中介质回收率达95%。Zhang等人[28]创建了一个基于深度学习的低温钻削多目标优化系统，通过温度-力耦合分析，以92.3%的预测准确率同时实现了质量（Ra < 1.6 μm）和刀具寿命（>300个孔）的目标。Chen等人[29]开发了脉冲LN?射流技术，通过20 Hz的间歇冷却维持热平衡（在*T*g±5 °C以内），在防止脆性断裂的同时实现了IT7级孔位精度。此外，随着复合材料部件向更大和更复杂的几何形状发展，机器人加工由于其高灵活性和适应性而引起了极大的关注。然而，Slamani和Chatelain [30]指出，机器人刚度不足会引起加工振动以及工件的几何/位置偏差。加上CFRP的各向异性和高磨蚀性，机器人修边仍面临许多挑战。因此，研究钻削工艺参数对加工质量的影响对于推进复合材料自动加工至关重要。为了研究钻削参数与孔承载性能之间的关系，本研究首先通过对CF/PPS材料的弹性响应、损伤准则和刚度退化的理论分析，建立了温度依赖本构模型，并使用VUMAT子程序进行钻削有限元仿真。通过各种工艺参数下的钻削实验和仿真，对比分析了冷却温度、主轴转速和进给率对钻削力和孔质量的影响，以验证仿真模型的准确性和可靠性。在此基础上，开发了一个基于响应面方法（RSM）的优化模型，以平衡损伤抑制、接头可靠性和加工效率，并通过实验验证了其有效性。**片段****考虑温度效应的热塑性复合材料力学性能表征**由于CF/PPS材料在某些方向上的力学参数难以获取，本文通过各种温度下的准静态拉伸试验获取树脂的力学参数。然后，利用碳纤维单丝的机械参数[31]、纤维和树脂的体积分数，以及复合材料力学参数的传统表征关系（Chamis模型[32]），得出CF/PPS在不同温度下的力学参数。**材料和钻削实验设置**根据ASTM D3039-08标准[34]，从这些层压板中加工出钻削试样（135 mm × 36 mm × 3.2 mm）。所有实验均采用硬质合金钻头（? 6 mm，118°顶角，21°螺旋角）进行。为了最大限度地减少刀具磨损的影响，每钻三个孔后更换一次钻头。实验平台由新泽NMC-50VS数控机床、用于轴向力测量的Kistler测力系统（10 kHz采样率）以及低温系统组成。**钻削力**本研究研究了沿*Z*轴（即推力）的钻削力，以下简称“力”，数据经过10 Hz低通滤波器处理。在本研究的实验参数范围内，使用optris Xi 400红外热像仪测量了干钻条件下钻削区域温度的峰值。结果表明，在所有工作条件下的峰值温度均超过了PPS的玻璃化转变温度（90 °C）。**结论**本研究在各种冷却条件下对CFRTP层压板进行了钻削实验，系统地对比分析了干钻削和低温钻削参数对钻削力和孔质量的影响，并提出了一种以静承载强度为目标的低温钻削工艺优化方法。主要结论如下：1) 随着主轴转速的增加，钻削力减小（与干切削相比，低温条件下钻削力降低10%–20%，干切削降低4%–10%）**CRediT作者贡献声明****Pingping Xiong:** 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法学，调查。**Zhenchao Qi:** 调查，资金获取，形式分析，数据管理，构思。**Zhe Liu:** 软件，资源，资金获取。**Tao Zhong:** 调查，数据管理。**Miao Wang:** 软件，形式分析，数据管理。**HaiTao Gao:** 可视化，验证，方法学。**利益冲突声明**作者声明，他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。**致谢**本文工作得到国家自然科学基金(52275434)和江苏省前沿技术发展研究项目(BF2025022)的支持。Pingping Xiong|Zhenchao Qi|Zhe Liu|Tao Zhong|Miao Wang|HaiTao Gao