CFRP在钻削加工中的声发射特性

黄文亮 李鹏南 邱新义 许 磊 牛秋林

（湖南科技大学机电工程学院，湘潭 411201）

0 引言

近年来，CFRP广泛应用于航空航天、汽车和体育用品等领域［1］。钻削加工是CFRP的主要切削加工形式之一，由于CFRP的加工机理不同于普通的均匀材料或各向同性的金属材料，钻削形成的损伤（如基体开裂、分层和纤维断裂）使得钻削后材料的强度和抗疲劳性大幅降低［2－3］，因此 CFRP的传统钻削一直是个难题。声发射（Acoustic Emission）通过接收和分析材料的声发射信号，评定材料性能和结构完整性，因此利用声发射技术可以有效地检测出CFRP的内部缺陷及损伤类型［4］。针对声发射技术在检测CFRP损伤方面，国内外学者做了大量的实验研究。王新刚、阳能军等［5］应用声发射技术对T700环氧树脂基复合材料拉伸损伤过程进行监测，结果表明，材料加载初期的破坏主要是基体与界面损伤，后期主要是碳纤维损伤，且拉伸过程中声发射信号重复性很强，存在峰值和“平静期”。王兵等［6］利用声发射技术对典型的碳／环氧CFRP的Ⅰ／Ⅱ混合模式分层行为和层间断裂韧性进行实验研究，结果表明，碳纤维铺层在损伤与断裂不同阶段所释放的声发射信号特征不同。陶进等［7］对碳纤维复合芯损伤进行了声发射信号研究。结果表明，不同应力损伤与声发射信号功率谱频率之间有一定的对应关系，而树脂基体断裂和碳纤维断裂两种不同缺陷的声发射信号有明显的区别。 N.Z.Karimi等［8］对 CFRP 钻削进行了声发射信号研究，提出了一种识别不同损伤机制所发出的信号的方法。结果表明，把钻削过程分为三个主要阶段，即钻入阶段、钻削阶段和钻出阶段，通过非监督的模式识别分析可以识别每个阶段最活跃的损伤机制。 T.H.Loutas和 DeGroot等［9］研究学者应用快速傅里叶变换和小波对复合材料拉伸断裂过程中产生的声发射信号进行分析，得到每个频段上信号的能量分布以及各种损伤类型所对应信号的频谱分布。目前声发射技术在CFRP钻削过程中损伤检测的应用还处于起步阶段，本文根据CFRP钻削过程中的缺陷产生机理，分析了普通麻花钻在不同钻削参数下的声发射信号，并通过分析对比不同参数下的声发射信号，对入口处撕裂和出口处撕裂的声发射信号进行了有效的识别，最后分析了钻削参数对声发射信号的影响。

1 实验

1.1 材料及设备

钻削实验在四川长征机床集团生产的四轴三联动立式加工中心KVC800上进行，实验采用Kistler公司生产的8152B221、8152B121压电声发射传感器、5125B放大器、GL1100数据采集仪。如图1所示声发射传感器用螺栓安装在CFRP的待加工表面上，选择采样频率为1 MHz。实验还采用超景深三维显微系统（KEYENCE VHX－500FE）对孔形貌进行观察，放大倍率为20～5 000倍，能够观察和准确测量孔出入口处的撕裂情况。

图1 声发射信号采集系统Fig.1 Acoustic emission signal acquisition system

T700碳纤维／LT－03A环氧复合材料层合板（300 mm×200 mm×5 mm），无锡威盛新材料科技有限公司，铺层形式为：40 层［0／45／90／－45／0／45／90／－45／0／45／90／－45］s；YG6X 麻花钻，特莱隆刀具厂生产，直径为 6 mm，横刃长度为 0.6 mm，螺旋角为 30°，顶角为 118°。

1.2 方法

钻削实验采用全因素实验，主轴转速为n＝1 500、2 500、3 500、4 500 r／min，进给量为 f＝ 0.05、0.10、0.15、0.20 mm／r；每组参数进行两次，结果取两次实验的平均值。

2 结果与分析

2.1 声发射信号分析

由声发射传感器等硬件装置采集得到了两路信号，即滤波后的声发射信号和声发射信号的有效值电压（RMS），主要讨论各个加工参数与声发射信号RMS的关系（图2）。主要分析主轴转速恒为n＝1 500 r／min的声发射信号RMS。钻削过程的声发射信号RMS响应可以分为钻入、钻削及钻出时3个阶段。从图2可以看出噪声与实验信号有明显区别。钻入阶段为横刃开始接触材料直至钻尖完全钻入材料，此阶段内声RMS响应曲线开始爬升；在钻削阶段内信号相对比较平稳；钻出阶段为钻尖位于材料下部直至钻尖完全钻出。在钻削阶段和钻出阶段信号有明显的突变，这种现象可能是由于层间损伤引起的。

图 2 n＝1 500 r／min，f＝0.2 mm／r的 RMSFig.2 Acoustic emission signal（n＝ 1500r／min，f＝0.2mm／r）

图3 为进给量为0.1 mm／r的钻削声发射信号，图2与图3对比可以发现进给量为0.2 mm／r时钻入阶段起始处（t＝0.04 s处）有明显的信号突变，信号峰值明显增大。图4将两组参数下钻入阶段起始处的RMS响应曲线放大，可以发现突变更为明显。由图4（a）可以看出进给量为0.1 mm／r的钻削 RMS峰值为0.85 V，信号比较平稳。由图4（b）可以看出进给量为0.2 mm／r的钻削正常信号的RMS峰值也为0.85 V，但是突变信号最大值达到了 0.98 V，增大了16.5%，经分析判断这一突变是由于入口撕裂引起的。 对进给量为0.1和0.2 mm／r的孔进行观察，入口处撕裂情况如图5所示，由图5（a）可以看出进给量为0.1 mm／r的孔无入口撕裂，入口质量好。由图5（b）可以看出进给量为0.2 mm／r的孔有两处入口撕裂，撕裂因子为 1.51，正好对应着进给量为 0.1 mm／r的钻入阶段起始处声发射信号无突变，进给量为0.2 mm／r的钻入阶段起始处声发射信号有明显突变，说明当钻削CFRP时，入口发生撕裂，则相对应的声发射信号将产生突变。

图 3 n＝1 500 r／min，f＝0.1 mm／r的声发射信号Fig.3 Acoustic emission signal（n＝1500r／min，f＝0.1mm／r）

图4 n＝1 500 r／min的钻入阶段起始处RMSFig.4 Acoustic emission signal of the entrance at the initial stage（n＝1500 r／min）

图5 n＝1 500 r／min孔的入口形貌 30×Fig.5 Entrance morphology of hole under n＝1500 r／min

同样，经对比可以发现进给量为0.2 mm／r是钻出阶段末尾处（t＝1.33 s处）有明显的信号突变，信号峰值明显增大。图6将声发射信号RMS响应曲线放大，可以发现突变更为明显。由图6（a）可以看出进给量为0.1 mm／r的钻削声发射信号峰值为0.90 V，信号比较平稳。由图6（b）可以看出进给量为0.2 mm／r的钻削声发射信号正常信号的RMS值为1.00 V，而突变信号最大值达到了1.20 V，增大了20%，经分析判断这一突变是由于出口撕裂引起的。观察出口处撕裂情况如图7所示，由图7（a）可以看出进给量为0.1 mm／r的孔无出口撕裂，出口质量好。由图7（b）可以看出进给量为0.2 mm／r的孔有一处出口撕裂，还有少量毛刺和啃边，撕裂因子为1.18，正好对应着进给量为0.1 mm／r的钻出阶段末尾处声发射信号无突变，进给量为0.2 mm／r的钻出阶段末尾处声发射信号有明显突变，说明当钻削CFRP时，出口发生撕裂，则相对应的声发射信号将产生突变。因此，在钻削过程中，入口处和出口处撕裂会引起声发射信号的突变，通过分析声发射信号能够对撕裂信号进行有效的识别。

图6 n＝1 500 r／min的钻出阶段末尾处声发射信号Fig.6 Acoustic emission signal of the exit at the end（n＝1500r／min）

图7 n＝1 500 r／min孔的出口形貌 30×Fig.7 Exit morphology of hole undern＝1500r／min

2.2 钻削参数对声发射信号的影响

在钻削过程中，碳纤维在刀具切削刃的作用下发生的断裂、基体的开裂、分层损伤以及钻头与孔壁的摩擦都会释放的声发射能量。因而影响声发射信号的因素有很多，包括钻削参数、工件材料特性及刀具磨损等。因此，研究钻削参数（主轴转速、进给量）对声发射信号的影响，能够揭示钻削过程声发射信号的规律，以及钻削参数与声发射信号的关系。研究钻削参数对声发射信号的影响时，取钻削阶段的声发射信号有效值电压（RMS）的平均值作为分析对象（图8）。

图 8 n＝1 500 r／min，f＝0.1 mm／r的声发射信号Fig.8 Acoustic emission signal（n＝1500r／min，f＝0.1mm／r）

图9 为在不同主轴转速下，AE－RMS随进给量的变化而变化的曲线图，可知AE－RMS的大小与进给量和主轴转速有着很好的对应关系。

图9 主轴转速、进给量与钻削阶段AE－RMS平均值的关系Fig.9 Relationship between rotating speed， feed and AE－RMS mean at the drilling stage

在钻削过程中，相同主轴转速下，AE－RMS随着进给量的增大而增大。这是由于在钻削过程中，转速一定时，随着进给量的增大，单位时间材料切除量也随之增大，即碳纤维在刀具切削刃的作用下发生的断裂也增多。另外，随着进给量的增大，钻削轴向力也越来越大，层间损伤也增加，因而声发射信号也表现为增大的趋势。同样，进给量一定时，随着转速的增大，单位时间材料切除量也随之增大，即碳纤维在刀具切削刃的作用下发生的断裂也增多。另外，虽然随着转速的增大，钻削轴向力越来越小，层间损伤减少，但是钻头与孔壁的摩擦加剧，因而RMS表现为增大的趋势。因此，当主轴转速一定时，RMS随着进给量的增大而增大；当进给量一定时，RMS也随着主轴转速的增大而增大。

3 结论

在不同加工参数下进行麻花钻钻削CFRP的实验，同时利用声发射传感器对钻削过程的声发射信号进行采集。通过分析普通麻花钻在不同钻削参数下钻削CFRP的RMS，观察孔的入口处与出口处形貌，和进一步分析钻削参数对RMS的影响，得出了以下结论。

（1）当钻削CFRP时，刀具钻入阶段RMS响应曲线开始爬升；刀具钻削阶段，声发射信号相对比较平稳；刀具钻出阶段，RMS响应曲线开始下降。入口处或出口处发生撕裂，相对应的声发射信号将产生突变，通过分析声发射信号能够对撕裂信号进行有效的识别。

（2）钻削过程中RMS的大小受进给量和主轴转速的影响。当主轴转速一定时，RMS随着进给量的增大而增大；当进给量一定时，RMS也随着主轴转速的增大而增大。

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