学术研究报告：CFRP层压板常规钻孔与超声辅助钻孔的实验与数值模拟研究

作者及发表信息

本研究由英国拉夫堡大学（Loughborough University）Wolfson机械与制造工程学院的Vaibhav A. Phadnis、Farrukh Makhdum、Anish Roy和Vadim V. Silberschmidt合作完成，发表于2012年的Procedia CIRP期刊（第1卷，第455–459页），属于第五届CIRP高性能切削会议论文集。

研究背景与目标

科学领域：本研究属于复合材料加工与先进制造技术领域，聚焦碳纤维增强塑料（Carbon Fiber-Reinforced Plastic, CFRP）的钻孔工艺优化。

研究动机：CFRP因其高强度、低密度的特性广泛应用于航空航天结构件，但传统钻孔（Conventional Drilling, CD）会导致孔周高应力、推力过大及分层（delamination）等损伤，影响结构性能。超声辅助钻孔（Ultrasonically Assisted Drilling, UAD）通过叠加高频振动（20–30 kHz）可减少切削力，但缺乏系统性对比研究。

研究目标：
1. 通过实验与有限元（FE）模拟对比CD与UAD在CFRP层压板钻孔中的性能差异；
2. 量化UAD对推力（thrust force）和扭矩的降低效果；
3. 开发基于Abaqus/Explicit的3D有限元模型，验证其预测能力。

研究流程与方法

1. 材料与实验设计

研究对象：
- CFRP层压板：材料为M21/T700，共34层，铺层顺序为[(0/45/90/-45)4s/0]2s，尺寸100 mm × 25 mm × 15 mm。
- 钻孔工具：高速钢（HSS）Dormer ADX Jobber麻花钻（直径6 mm，顶角140°，螺旋角31°）。

实验设备：
- 改装车床搭载压电陶瓷超声振动装置（频率32.2 kHz，振幅20 μm）；
- Kistler™测力计记录推力，Picoscope™采集数据，Matlab后处理。

实验参数：
- 转速：260–1700 rpm（5组）；
- 进给速率：50 mm/min（恒定）；
- 振动参数（仅UAD）：频率30 kHz，振幅20 μm（峰峰值）。

2. 有限元模型开发

模型构建：
- 软件平台：Abaqus/Explicit 6.10；
- 几何简化：仅模拟前8层CFRP以平衡计算成本与精度；
- 单元类型：
- CFRP：C3D8R（8节点三维实体单元）；
- 钻头：C3D4（4节点刚性单元）。
- 网格优化：孔周局部细化至10 μm，钻头最小单元150 μm。

关键算法：
- 损伤模型：
- 纤维损伤：Hashin准则（拉伸/压缩失效）；
- 基体损伤：Puck准则（修正为3D形式）；
- 单元删除技术（element deletion）模拟材料去除。
- 接触条件：钻头-工件摩擦系数0.3，运动学接触。

边界条件：
- CD：钻头旋转+轴向进给；
- UAD：叠加轴向正弦振动（30 kHz，20 μm）。

3. 数据分析方法

• 推力对比：取钻头完全切入阶段的平均力值；
  
• 损伤评估：通过应力分布与单元删除模式分析分层风险。
  

主要研究结果

1. 推力降低效果

实验数据显示，UAD在所有转速下均显著降低推力（表3）：
- 260 rpm：CD 272 N → UAD 229 N（降幅15.8%）；
- 1700 rpm：CD 119 N → UAD 82 N（降幅31.1%）。
趋势：转速越高，UAD的推力降幅越大，表明其更适合高速加工。

2. 有限元验证

FE模拟结果与实验数据定性吻合（表5）：
- 260 rpm：CD 301 N → UAD 265 N（降幅12.0%）；
- 1400 rpm：CD 137 N → UAD 98 N（降幅28.5%）。
差异原因：模型仅包含8层CFRP，未完全反映实际34层的应力累积。

3. 损伤机制

• CD：孔周出现明显的横向基体开裂（transverse matrix cracking）和层间分层；
  
• UAD：间歇性切削减少连续载荷，分层面积缩小30%以上。
  

研究结论与价值

科学价值

1. 工艺优化：证实UAD可通过高频振动降低30%推力，减少CFRP分层风险；
   
2. 模型创新：开发的3D FE模型首次实现CD与UAD的定量对比，为工艺参数优化提供工具。
   

应用价值

• 航空航天：UAD可提升CFRP构件钻孔效率，延长刀具寿命；
  
• 智能制造：FE模型支持虚拟工艺开发，降低试错成本。
  

研究亮点

1. 多尺度验证：实验与FE模拟结合，全面评估UAD性能；
   
2. 算法创新：将Hashin与Puck准则扩展至3D单元，提升损伤预测精度；
   
3. 工程指导性：明确推荐高转速（>1200 rpm）下使用UAD以实现最大效益。
   

其他贡献

• 致谢：空客（Airbus）提供CFRP材料，Muhammad Atif Zeeshan协助力学性能测试；
  
• 数据公开：所有力学参数（表1、表4）及模型细节可供同行复现。
  

本研究为CFRP高效加工提供了理论和实践依据，后续可扩展至其他纤维增强复合材料（如GFRP）的超声辅助加工研究。