磨削熱對碳纖維復(fù)合材料表面質(zhì)量影響研究

鮑 永 杰， 高 航， 馬 海 龍， 李 偉

（大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引 言

碳纖維－環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料（簡稱碳纖維復(fù)合材料）因其獨特的輕質(zhì)、高強(qiáng)度等機(jī)械、物理特性在諸如飛機(jī)機(jī)翼、航天飛行器艙體等航空航天領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1、2].磨削加工是碳纖維復(fù)合材料加工的重要環(huán)節(jié)，其加工精度和表面質(zhì)量對碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能、可靠性和使用壽命等產(chǎn)生重要影響.但碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件層鋪結(jié)構(gòu)的制備特點導(dǎo)致其力學(xué)性能呈各向異性，層間強(qiáng)度低，且碳纖維的硬度高、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性差，在加工過程中，加工精度和加工質(zhì)量難以保證，此外，碳纖維復(fù)合材料中樹脂基體的熱強(qiáng)度一般在200～300℃，因此加工溫度是否對加工質(zhì)量有不利的影響有必要進(jìn)行深入研究.

復(fù)合材料后加工理論與工藝引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，在復(fù)合材料磨削機(jī)理、熱影響等方面展開了一些研究.Hocheng等在碳纖維復(fù)合材料磨削試驗的基礎(chǔ)上，提出預(yù)測復(fù)合材料切削力的機(jī)械學(xué)模型，分析了纖維方向?qū)η羞?、表面粗糙度和切削力的影響，并推薦了纖維的磨削方向[3、4].Hu等以單向碳纖維復(fù)合材料為研究對象，探討了不同纖維方向下磨削力和表面質(zhì)量的變化規(guī)律[5].在熱影響方面，Ogi等在單向CFRP中建立了不同溫度下阻力和壓阻機(jī)電二維模型，用于在溫度和拉力同時作用下的應(yīng)力預(yù)測[6].Antonucci等研究了復(fù)合材料成型制造時如何減少熱梯度影響引起的復(fù)合材料破壞問題，提出了一種基于尺度分析能量平衡方程以管理固化反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量，使得在樹脂固化之前最小化溫度梯度的新方法[7].Costa等建立了制備厚截面復(fù)合材料層合板時的熱流體力學(xué)模型，研究了厚截面樹脂基體復(fù)合材料制造過程中內(nèi)部溫度場的發(fā)展變化[8].

復(fù)合材料熱研究主要集中在復(fù)合材料的制備工藝方面，對于碳纖維復(fù)合平面磨削溫度方面研究目前仍未見報道.因此本文采用鎳、鉻熱電偶夾絲法在線測量平面磨削碳纖維復(fù)合材料時切削區(qū)域溫度，分析工藝參數(shù)對磨削溫度的影響規(guī)律以及磨削熱對試件加工質(zhì)量的影響，并利用回歸分析獲得平面磨削碳纖維復(fù)合材料磨削溫度經(jīng)驗公式，以期為實際加工參數(shù)選擇提供參考.

1 試 驗

1.1 試驗系統(tǒng)

平面磨削測溫試驗系統(tǒng)由MM7132A型精密磨床、K型熱電偶、USB8516型數(shù)據(jù)采集儀和計算機(jī)組成，試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示.MM7132A型精密磨床主軸采用變頻器控制，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速0～1500 r/min無級調(diào)速，工件臺進(jìn)給速度范圍0～28.8 m/min；K型熱電偶測量溫度范圍－75～1370℃，線芯直徑0.255 mm，線芯材質(zhì)正極為鎳鉻合金、負(fù)極為鎳鋁合金.熱電偶標(biāo)定設(shè)備采用GSI LUMONICS JK701型激光器，最大輸出能量為550 W，單個脈沖能量可達(dá)70 J，脈沖寬度在0.5～20 ms可調(diào).

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of experiment setup

1.2 試驗刀具與材料

試驗中采用綠色碳化硅GC60J砂輪，磨粒粒度60＃，直徑250 mm.修整條件為單點金剛石筆修整，每次修整深度0.02 mm，修整次數(shù)采用往復(fù)4次.試驗材料為碳纖維增強(qiáng)－環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，增強(qiáng)纖維型號T300，環(huán)氧樹脂基體型號AG－80，纖維體積比（60±5）%，鋪層形式為單向鋪層，試驗件厚度為10 mm.

1.3 試驗方案

試驗采用夾絲法測溫，偶絲中間用單晶云母片絕緣.由于切削液對材料會產(chǎn)生不利影響，磨削方式為干磨削，順向磨削.磨削深度分別為10、20、30、40、50μm；工作臺進(jìn)給速度分別為8、14、20 m/min；砂輪線速度分別為11.8、15.7和19.6 m/s.通過改變磨削工藝參數(shù)利用夾絲法獲得不同工藝條件下的磨削溫度，并利用光學(xué)顯微鏡對磨削表面進(jìn)行觀察，從而得到磨削溫度的變化規(guī)律及對表面質(zhì)量的影響.

1.4 熱電偶標(biāo)定

（1）動態(tài)標(biāo)定

本次試驗采用的熱電偶，其熱接點為毫米級，時間常數(shù)較大，因此采用傳統(tǒng)的標(biāo)定方法就能確定其時間常數(shù)，溫度階躍法是最常用的方法之一.本次試驗采用階躍信號法，因為激光能夠在微秒或納秒內(nèi)使材料表面產(chǎn)生瞬時溫升，因此激光器是最好的加熱熱源，故本文采用激光作為對傳感器加熱的熱源[8].通過調(diào)制好的激光束對熱電偶接點表面照射，接點表面在瞬間吸收激光的能量，產(chǎn)生瞬時高溫，并以熱傳導(dǎo)方式向內(nèi)部傳遞，使熱電偶感受到溫升產(chǎn)生電壓信號輸出.從測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線可以算出時間常數(shù)τ′約為0.5 s.激光器脈寬為2 ms，周期為33 ms，實際時間常數(shù)τ為30 ms，能夠滿足本次磨削溫度試驗的要求.

（2）靜態(tài)標(biāo)定

鑒于本次試驗材料的溫度范圍，對熱電偶在測溫范圍0～600℃內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定.通過與標(biāo)準(zhǔn)鉑電偶比較，經(jīng)過回歸分析得到標(biāo)定曲線，以得到熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與熱端溫度的關(guān)系特性曲線E＝f（θ），標(biāo)定曲線如圖2所示.

圖2 熱電偶靜態(tài)標(biāo)定曲線Fig.2 Static demarcating curve of the thermocouple

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 磨削溫度測量曲線特點

砂輪與工件表面接觸時，熱電偶絲兩極在受擠壓的狀態(tài)下導(dǎo)通并產(chǎn)生電信號.如圖3所示，由測量曲線可知，試件表面溫度迅速上升，上升至最高點后溫度保持不變，砂輪與工件分離后，工件表面在空氣中自然冷卻，溫度逐漸下降為室溫.

2.2 磨削深度、進(jìn)給速度對磨削溫度的影響

圖4為磨削溫度隨磨削深度ap、試件進(jìn)給速度vw的變化關(guān)系曲線，砂輪線速度vs＝15.7 m/s.從圖中可知，磨削深度對磨削溫度有很大的影響，磨削深度增加，磨削溫度上升，這主要是因為磨削深度增加使得磨削力增大，進(jìn)而導(dǎo)致磨削溫度上升.工件進(jìn)給速度對磨削溫度有相似的影響規(guī)律，在相同磨削參數(shù)下，磨削溫度隨進(jìn)給速度的增大而上升.由于樹脂基體的熱強(qiáng)度在200～300℃，從圖中可知，當(dāng)ap＜20μm，vw＜14 m/min時，磨削溫度低于200℃；而當(dāng)ap達(dá)到50 μm，vw達(dá)到20 m/min時，磨削溫度迅速升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于300℃，所以為避免磨削熱對表面質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，應(yīng)盡量降低磨削進(jìn)給速度和磨削深度.

圖3 磨削溫度測量曲線Fig.3 The measurement curve of grinding temperature

圖4 磨削深度、進(jìn)給速度與磨削溫度的關(guān)系Fig.4 The relationships of the grinding depth，the feed speed of workpiece and the grinding temperature

2.3 砂輪線速度對磨削溫度的影響

圖5為砂輪線速度對磨削溫度的影響曲線，試件進(jìn)給速度vw＝14 m/min.從圖中可知，在同一磨削深度下，磨削溫度隨砂輪線速度的增大呈上升趨勢，磨削深度為10μm時，磨削溫度隨砂輪線速度的變化不明顯，磨削深度大于10μm時，磨削溫度隨砂輪線速度的增大而顯著提高.在砂輪線速度為11.8 m/s，磨削深度ap＜50μm時，磨削溫度在200℃以內(nèi)；當(dāng)砂輪線速度增加到19.6 m/s，磨削深度達(dá)到50μm時，磨削溫度超過300℃.磨削溫度隨砂輪線速度增大而上升主要是由于單位時間內(nèi)工作的磨粒數(shù)增多，劃擦和耕犁的作用增強(qiáng)，摩擦加劇使得磨削溫度升高.為避免磨削熱對加工質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，應(yīng)盡量降低砂輪線速度.

圖5 砂輪線速度對磨削溫度的影響Fig.5 The effect of the peripheral speed of abrasive wheel on the grinding temperature

2.4 磨削溫度對試件加工質(zhì)量的影響

通過上面的分析可知，磨削參數(shù)的改變使得磨削溫度隨之改變，磨削溫度隨磨削深度、進(jìn)給速度和砂輪線速度的提高而升高.磨削溫度升高后是否對表面質(zhì)量有影響，可以通過對加工后試件表面粗糙度檢測和對試件表面質(zhì)量觀察進(jìn)行分析.

（1）磨削溫度對試件表面粗糙度的影響

圖6為試件表面粗糙度隨磨削深度的變化關(guān)系以及對應(yīng)參數(shù)下磨削溫度的變化規(guī)律，從圖中可知，隨著磨削深度的增加試件的表面粗糙度增大，而對應(yīng)工藝參數(shù)下的磨削溫度也有相似的趨勢.由此可以推斷，磨削深度增大使得砂輪單位時間內(nèi)切削余量增加，導(dǎo)致磨削力增大，同時磨削溫度上升，在磨削力和磨削溫度的共同作用下，表面質(zhì)量降低.

圖6 磨削溫度、磨削深度與表面粗糙度的關(guān)系Fig.6 The relationships of the grinding temperature，the grinding depth and the surface roughness

（2）表面形貌觀察

碳纖維復(fù)合材料是由多層纖維絲采用樹脂熱壓粘接而制成，磨削后表面由樹脂和纖維組成，由于樹脂和纖維強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能都存在很大差異，磨削時，樹脂基體強(qiáng)度對磨削溫度敏感，磨削溫度升高后導(dǎo)致樹脂軟化、強(qiáng)度降低，對碳纖維的粘接能力降低，在磨削力的作用下纖維與樹脂結(jié)合面產(chǎn)生破壞而被去除，使得表面形成溝痕，表面質(zhì)量降低；而在同一表面上由于碳纖維強(qiáng)度高，樹脂基體強(qiáng)度低，在相同磨削力下，樹脂產(chǎn)生破壞的幾率增大，同樣會使表面因樹脂脫落而產(chǎn)生凹坑，導(dǎo)致表面質(zhì)量降低.

圖7為不同磨削溫度下（磨削深度不同）碳纖維復(fù)合材料磨削后表面顯微照片，從圖中可知，當(dāng)磨削溫度為161.3℃（圖7（a））時，表面纖維由樹脂包裹，排布整齊，表面平整，加工質(zhì)量較好.當(dāng)磨削溫度為254.8℃（圖7（b））時，磨削表面有明顯的纖維裸露現(xiàn)象（樹脂包裹減少），纖維出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，局部出現(xiàn)因纖維斷裂形成的凹坑；從局部放大視圖可知，表面纖維出現(xiàn)因溫度升高而產(chǎn)生的燒傷現(xiàn)象（纖維局部因溫度高，碳纖維產(chǎn)生碳化使得顏色發(fā)生變化），這種現(xiàn)象主要是因為磨削深度增大，磨削力增大，同時磨削溫度升高，使得樹脂基體粘接強(qiáng)度降低，導(dǎo)致樹脂脫落和纖維燒傷，從而表面加工質(zhì)量降低.當(dāng)磨削溫度上升為303.8℃（圖7（c））時，磨削表面大面積纖維裸露，而且出現(xiàn)因纖維整體脫粘而形成的溝痕，表面平整度嚴(yán)重降低；從局部放大視圖可知，表面纖維出現(xiàn)因溫度升高而產(chǎn)生的大面積燒傷，表面加工質(zhì)量嚴(yán)重降低.

圖7 不同溫度下磨削表面顯微照片（v s＝15.7 m/s，v w＝14 m/min）Fig.7 Micrographs under different grinding temperatures（v s＝15.7 m/s，v w ＝14 m/min）

由表面觀察分析可知，磨削熱對加工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，這與前面已磨削表面粗糙度測量結(jié)果相一致.綜合考慮磨削深度、砂輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度對磨削溫度的影響，同時考慮碳纖維－樹脂復(fù)合材料中環(huán)氧樹脂的熱強(qiáng)度一般在200～300℃，因此磨削時通常接觸區(qū)平均溫度不能超過300℃，通過本試驗的研究結(jié)果可知，采用綠色碳化硅GC60J磨削碳纖維－樹脂復(fù)合材料時，在磨削深度小于0.04 mm、砂輪線速度小于19.6 m/s、工件進(jìn)給速度小于20 m/min范圍內(nèi)，合理選擇工藝參數(shù)能夠在保證加工效率的同時盡可能地減少磨削溫度對表面質(zhì)量的影響.

2.5 磨削溫度經(jīng)驗公式

為了能為實際加工中工藝參數(shù)的選擇提供參考依據(jù)，采用回歸分析和方差分析進(jìn)行多因素試驗數(shù)據(jù)處理，總結(jié)磨削溫度的經(jīng)驗公式.

三元線性回歸關(guān)系式如下式所示：

對式（1）兩邊取對數(shù)可得

其中C為經(jīng)驗常數(shù)；ap、vs、vw分別是磨削深度、砂輪線速度和工件進(jìn)給速度3個磨削參數(shù).

在數(shù)據(jù)處理過程中采用三元線性回歸求得回歸方程，并用Matlab編程計算，得到GC60J碳化硅磨削碳纖維－樹脂復(fù)合材料的磨削溫度經(jīng)驗公式為

校正判定系數(shù)R是判斷線性回歸直線擬合度的重要指標(biāo)，等于應(yīng)用變量回歸平方和在總平方和中所占的比率，判定系數(shù)R越接近1說明擬合效果越好.磨削溫度經(jīng)驗公式的相關(guān)系數(shù)R為0.931，說明采用該公式計算能夠獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果.

3 結(jié) 論

（1）磨削熱對磨削表面質(zhì)量有很大的影響，磨削溫度升高，導(dǎo)致樹脂基體軟化、強(qiáng)度降低，對碳纖維的粘接能力降低，在磨削力的作用下纖維與樹脂結(jié)合面產(chǎn)生破壞而被去除，使得表面質(zhì)量降低，磨削溫度過高時還會使磨削表面形成燒傷.

（2）在磨削深度小于0.04 mm、砂輪線速度小于19.6 m/s、工件進(jìn)給速度小于20 m/min范圍內(nèi)，合理選擇工藝參數(shù)能夠在保證加工效率的同時盡可能地減少磨削溫度對表面質(zhì)量的影響.

（3）利用試驗數(shù)據(jù)回歸分析得到的磨削溫度經(jīng)驗公式可以對實際生產(chǎn)中工藝參數(shù)的選擇提供參考依據(jù).

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