碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的高速電火花穿孔加工試驗(yàn)研究

張俊清，汪 煒，張 偉，代建東，王宇盛

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

碳纖維樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，如比強(qiáng)度、比剛度高，導(dǎo)電、熱膨脹系數(shù)小，同時(shí)，對(duì)酸堿有機(jī)溶劑具有很大的耐蝕性，故被廣泛應(yīng)用于航空航天技術(shù)領(lǐng)域[1-3]。但由于材料本身的各向異性，采用常規(guī)機(jī)械加工方法進(jìn)行切邊、鉆孔時(shí)，難以達(dá)到較高的表面質(zhì)量與加工精度，進(jìn)出口處易產(chǎn)生分層缺陷;刀具損傷也較嚴(yán)重，加工成本太高;此外，切削加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，嚴(yán)重危害操作人員的身體健康。

電火花方法可加工任何硬、脆、韌、軟及高熔點(diǎn)的導(dǎo)電材料，在一定條件下也可加工半導(dǎo)體和絕緣材料[4]。王珉等首次提出利用電火花方法來加工碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，對(duì)電火花加工的可行性及加工機(jī)理進(jìn)行了探討，并得出了極性效應(yīng)作用機(jī)理的初步模型[5-6]。Teicher等利用硬質(zhì)合金作為工具電極，在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料上進(jìn)行微細(xì)電火花加工，通過改變加工參數(shù)，對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的電火花加工性能進(jìn)行了研究[7]。

針對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的孔加工難題，本文提出了一種高速電火花穿孔加工方法，以高速水基工作液作為加工介質(zhì)，同時(shí)，通過專用夾具對(duì)工件的上下表面進(jìn)行高速噴霧冷卻，并將加工中產(chǎn)生的有害粉塵集中收集，為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的高效、低成本、綠色加工提供了一種新途徑。

1 高速電火花穿孔加工試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料高速電火花穿孔加工試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括電火花加工系統(tǒng)（DD703X型高速電火花穿孔機(jī))、微量潤(rùn)滑霧化裝置Minimum Quantity Lubricant（MQL，標(biāo)準(zhǔn)型 251)及專用夾具三部分。試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。試驗(yàn)所用的壓縮空氣為0.6 MPa，霧介質(zhì)由壓縮空氣和去離子水經(jīng)微量潤(rùn)滑噴頭通過專用夾具分別輸送至工件上下表面。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 專用夾具設(shè)計(jì)

在加工過程中，為了及時(shí)冷卻工件材料的上下表面，吹滅電弧，提高工件表面的完整性，設(shè)計(jì)了一種專用夾具，將噴霧施加在工件的上下表面。夾具分為上、下兩部分，與工件組成夾層結(jié)構(gòu)。上下部分的一側(cè)均開孔，可分別對(duì)工件上下表面進(jìn)行噴霧;另一側(cè)開淺槽，且高于噴霧孔，這樣既不會(huì)損失有效工作液及噴霧，又能使加工產(chǎn)生的廢屑被高壓噴霧及時(shí)帶走，有利于廢屑的收集，對(duì)環(huán)境友好（圖2)。

1.2.2 試驗(yàn)參數(shù)選擇

圖2 夾具示意圖

基于前期對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料電火花加工的探索性實(shí)驗(yàn)及研究結(jié)果，本文選取的試驗(yàn)條件見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

工具電極采用外徑2 mm、內(nèi)徑0.5mm、長(zhǎng)400 mm的黃銅管，接負(fù)極;工件為層壓式碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料板材，平紋織物，纖維體積65%?；w材料為環(huán)氧樹脂類，厚度2.4mm。加工時(shí)的間隙電壓信號(hào)監(jiān)測(cè)由數(shù)字存儲(chǔ)式示波器完成，示波器信號(hào)輸入的兩端分別與電極和工件材料相連接。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 復(fù)合材料放電加工蝕除機(jī)理

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料主要由導(dǎo)電的碳纖維和不導(dǎo)電的樹脂基體等組成。放電加工時(shí)，復(fù)合材料內(nèi)的不導(dǎo)電樹脂會(huì)對(duì)放電產(chǎn)生阻礙作用，使加工產(chǎn)生斷路或放電間隔時(shí)間過大的現(xiàn)象。然而，在一定的電流條件下,不導(dǎo)電樹脂會(huì)被工具電極與導(dǎo)電碳纖維放電產(chǎn)生的高溫碳化成為導(dǎo)電材料，使放電加工能順利進(jìn)行[5]。

由于電火花加工是基于工具和工件之間脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除材料的[4]，并不存在切削力，因此，工件的進(jìn)出口不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械加工中因切削力作用而產(chǎn)生的材料分層缺陷。但電火花加工時(shí)，放電中心的瞬時(shí)溫度會(huì)達(dá)到10 000℃，瞬時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)使樹脂產(chǎn)生熱解，并伴有熱解氣體的燃燒、氣化及碳纖維的氧化、氣化等，該現(xiàn)象最終導(dǎo)致加工區(qū)域進(jìn)出口的熱影響區(qū)較大，且會(huì)有毛刺翻邊，表面質(zhì)量較差。

2.2 輔以噴霧的高速電火花穿孔加工蝕除機(jī)理

為了考察噴霧對(duì)高速電火花穿孔加工速度的影響，分別對(duì)不加噴霧和施加噴霧兩種情況進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次，結(jié)果見圖3。可看出，施加噴霧后，加工效率平均提高約21.6%，且加工速度更穩(wěn)定。

圖3 噴霧對(duì)加工效率的影響

圖4是高速電火花穿孔加工間隙電壓波形。可看出，未施加噴霧的放電加工過程并不穩(wěn)定，有效火花放電很少，其中夾雜著大量的非正常放電，包括短路和拉弧，嚴(yán)重影響加工效率與工件表面粗糙度。施加噴霧后，放電過程趨于穩(wěn)定，幾乎沒有非正常放電的存在。

圖5 加工后的工件表面形貌

圖4 間隙電壓波形

圖5是在兩種情況下加工的工件材料進(jìn)、出口表面及側(cè)面形貌?？煽闯?，施加噴霧后的工件材料表面沒有熔融材料的再附著，毛刺、翻邊明顯減少，熱影響區(qū)顯著減小，工件表面粗糙度值低。

實(shí)際加工中，過切量與放電間隙、電極旋轉(zhuǎn)過程中的徑向跳動(dòng)、放電對(duì)工件材料產(chǎn)生的熱影響均有關(guān)系，本文只考慮工件材料受到的熱影響。假設(shè)孔的過切量Δ為：

式中：d1為實(shí)際加工后的孔徑;d0為孔的名義直徑。

經(jīng)計(jì)算可得工件表面進(jìn)、出口處的過切量分別由0.23、0.21mm降低為0.12、0.10mm。孔的加工精度得以提高的主要原因?yàn)椋?/p>

（1)高速電火花穿孔加工時(shí)，高速水基工作液從管狀電極流出，加速了電蝕產(chǎn)物的排出，盡可能地分散了火花放電點(diǎn)，但加工中未被拋出的高溫熔滴、小屑等顆粒依然附著在工件表面;而在工件上下表面施加噴霧作用后，能及時(shí)將這些廢屑沖走，降低了表面粗糙度值。

（2)在沖走表面廢屑的同時(shí)，高速噴霧還會(huì)帶走大量的熱量，降低工件表面和工具電極側(cè)邊的溫度，使脈沖火花放電時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳導(dǎo)出去，充分消電離，減小了產(chǎn)生有害穩(wěn)定電弧放電的幾率，提高了整個(gè)加工過程的穩(wěn)定性。

（3)工件材料局部高溫分解后可能結(jié)炭，在該處聚成焦粒而在兩極間搭橋，會(huì)燒傷電極和工件（圖5a、圖5c)。噴霧經(jīng)噴頭不斷輸送至工件的上下表面，可在降低工件表面溫度的同時(shí)，吹滅并破壞這種可能的搭橋，從而提高工件的表面質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1)采用高速電火花穿孔加工方法對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行了通孔加工實(shí)驗(yàn)，通過專用夾具將噴霧輔助施加在工件的上下表面后，可及時(shí)冷卻工件進(jìn)出口，吹滅電弧，避免工件材料的不正常放電，減小了表面熱影響區(qū)，提高了加工精度和加工效率。

（2)高速電火花穿孔加工時(shí)，高速水基工作液從管狀電極流出，加速了電蝕產(chǎn)物的排出。在工件上下表面施加噴霧作用后，能進(jìn)一步將加工中未被拋出的廢屑沖走，降低表面粗糙度值。同時(shí)，高速噴霧還會(huì)帶走大量的熱，降低工件表面和工具電極側(cè)邊的溫度，吹滅并破壞可能的結(jié)炭焦粒搭橋，減小產(chǎn)生有害穩(wěn)定電弧放電的幾率，提高整個(gè)加工過程的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了工件表面質(zhì)量與加工效率。

（3)試驗(yàn)以直徑2 mm、深度2.4 mm的通孔加工為例，對(duì)比未進(jìn)行噴霧冷卻加工的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)：噴霧加工能有效減小表面熱影響區(qū)，提高加工精度和表面質(zhì)量，加工效率提高約21.6%;且能有效抑制加工粉塵，環(huán)境友好，為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料提供了一種新的綠色加工方法。

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