CFRP钻削温度场的数值仿真与分析

陈檐成 李鹏南 王春浩 邱新义 李树健

（湖南科技大学机电工程学院，湘潭 411201）

文 摘 为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）钻削过程传热规律及温度分布特性，在对材料热物理特性均匀化处理的基础上，利用COMSOL Multiphysics 建立单向CFRP 钻削温度场数值仿真模型，探究钻削过程中热量传递及温度场分布规律。结果表明，出口处温度场呈椭圆形分布状态，椭圆形最小值离心率e 为0.771，且椭圆的长轴和纤维方向平行。通过实验对比，纤维方向和垂直纤维方向的温度误差分别为7.5%和7.8%，实验结果验证了数值仿真模型的正确性。

0 引言

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有比模量大、比强度高、耐腐蚀、韧性大和质量轻等诸多优点，在航空航天、风电、汽车、体育、军事等诸多领域广泛应用。由于CFRP 具有各向异性、层间强度低、热导率低等特性，导致其在钻削过程中易形成热积聚和较高温度梯度，产生材料热损伤，进一步诱发分层、毛刺等加工缺陷产生［1-2］；由于碳纤维和环氧树脂的热导率和线胀系数存在较大差别，在钻削过程中产生切削热形成的温度场有很高的温度梯度和热应力。尤其当切削表面温度超过环氧树脂的温度（约180℃）时，CFRP 的力学性能和加工表面质量急剧下降［3］。因此温度对CFRP 零部件的加工质量以及刀具耐用度有重要的影响作用［4］。

目前，国内外对CFRP 钻削热和温度的研究相对较少，20世纪开始，DAWSON［5］就致力于切削热和切削温度的研究。LOEWEN［6］和AGAPIOU［7］等基于摩擦系数理论分析对刀具切削温度和热量的产生进行了研究，并且预测钻孔过程中的热现象。……