旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)端面磨削CFRP表面質(zhì)量研究*

劉樹良，陳 濤，魏宇祥，吳超群,2

（1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070；2.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）是一種基于碳/石墨纖維的纖維增強(qiáng)聚合物，它有著極高的強(qiáng)度和較輕的重量。碳纖維復(fù)合材料耐熱性能好，具有高強(qiáng)度-質(zhì)量比、高模量-質(zhì)量比（E/ρ）、高阻尼能力、較好的尺寸穩(wěn)定性、出色的損傷容限以及良好的耐腐蝕和抗疲勞性能，因此廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人、建造業(yè)、化工機(jī)械、醫(yī)療和軍工領(lǐng)域[1]。CFRP一般以樹脂為基體、碳纖維為增強(qiáng)體，屬于典型的難加工材料。與金屬材料不同，CFRP在不同層鋪方向上呈現(xiàn)各相異性、不均勻性的特點(diǎn)，而且碳纖維增強(qiáng)體強(qiáng)度較高，為硬脆材料，使得在磨削加工過程中工件表面質(zhì)量難以保證，易出現(xiàn)纖維斷裂、剝離及凹坑等缺陷，磨削工具易堵塞磨損，耐用度較低[2-3]。

相比于傳統(tǒng)磨削加工，超聲振動(dòng)磨削可以降低磨削力和磨削熱，減少工件表面、亞表面損傷以及延長磨具壽命，顯著提高加工效率，獲得較理想的加工質(zhì)量。國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了許多研究，李志凱[4]通過對CFRP單層板進(jìn)行切削仿真和加工試驗(yàn)，研究了不同纖維方向角度對基體破壞、基體損傷和工件亞表面破壞情況的影響，結(jié)果表明： 0°時(shí)材料的切削性能最好，隨著纖維方向角度的增大，加工缺陷、基體損傷和破損情況逐漸加劇。大連理工大學(xué)的任宇江[5]對碳纖維復(fù)合材料平面磨削進(jìn)行了研究，在對型號TB300的多向?qū)愉佁祭w維板進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工研究中，通過多因素正交試驗(yàn)，分別研究了主軸轉(zhuǎn)速、工具粒度、進(jìn)給速度和切削深度對碳纖維板表面加工質(zhì)量的影響。Liu等[6]自行設(shè)計(jì)了超聲振動(dòng)磨削裝置，通過“以磨代鉆”的方式對CFRP板鉆孔，試驗(yàn)表明：孔進(jìn)出口處纖維毛刺和拔出現(xiàn)象明顯減少，孔內(nèi)表面加工質(zhì)量較好，工具堵塞情況明顯好轉(zhuǎn)，取得了較好的加工效果。Wang等[7]對單向碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了不同碳纖維取向?qū)Ρ砻娲植诙群蛠啽砻鎿p傷的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維取向?yàn)?0°時(shí)表面質(zhì)量較好，小于90°時(shí)材料變形區(qū)會出現(xiàn)碎屑、擠壓和材料回彈等問題，超過90°時(shí)纖維發(fā)生彎曲，切削機(jī)理變得復(fù)雜并出現(xiàn)亞表面損傷。國外，Soo等[8]研究了單向碳纖維復(fù)合材料的磨削加工，分析了包括纖維方向在內(nèi)的各個(gè)因素對表面質(zhì)量和切削力的影響，研究結(jié)果表明，碳纖維方向?qū)ぜ砻尜|(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

本文將超聲振動(dòng)與傳統(tǒng)磨削加工相結(jié)合，通過正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)研究旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)端面磨削CFRP的表面質(zhì)量。

試驗(yàn)條件與方法

1 試驗(yàn)條件

搭建旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)磨削試驗(yàn)臺：在哈斯自動(dòng)化公司（HAAS）DT-1立式鉆銑床上，分別安裝旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)和測力系統(tǒng)；機(jī)床可實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)精度和工藝系統(tǒng)精度較高，抗振性較強(qiáng)；采用BT30主軸，主軸轉(zhuǎn)速為 0～12000r/min，連續(xù)可調(diào)機(jī)床定位精度為5μm；旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率為17.40kHz，振幅 0～12μm 連續(xù)可調(diào)；磨削工具采用圓柱型電鍍金剛石磨頭，粒度 60～200#，柄徑為 4mm，磨頭直徑為6mm，調(diào)整合適的伸出長度，使振動(dòng)效果最明顯。試驗(yàn)材料選用T300多向?qū)愉佁祭w維板，層鋪方式為0°/90°交替鋪層，單層厚度約為125μm。為方便試驗(yàn)加工，將碳纖維板切成20mm×5mm×5mm的長方體，并通過石蠟固定到測力儀上；將工件切割成合適的尺寸，在平行于層鋪方向的平面進(jìn)行磨削試驗(yàn)。將超聲振動(dòng)裝置安裝到機(jī)床上，并對超聲振動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)床運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)試。工件材料屬性參數(shù)如表1所示，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2 （其中A為超聲振幅，f為頻率，vw為工件進(jìn)給速度）和圖3分別為旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)磨削加工示意圖和試驗(yàn)加工現(xiàn)場圖。

圖1 碳纖維復(fù)合材料試件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of CFRP specimen

圖2 旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)磨削加工示意圖Fig.2 Schematic diagram of the rotary ultrasonic grinding process

表1 T300多向?qū)愉佁祭w維板材料屬性

圖3 試驗(yàn)加工現(xiàn)場Fig.3 Testing and processing site

2 試驗(yàn)方法

通過單因素試驗(yàn)對比分析普通磨削和超聲振動(dòng)磨削表面加工效果，在正交試驗(yàn)過程中研究超聲振動(dòng)磨削中主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度和工具粒度對碳纖維復(fù)合材料的加工性能和工件表面質(zhì)量的影響，得出各因素的影響規(guī)律及最優(yōu)加工工藝參數(shù)，為CFRP加工工藝參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

本文采用三維評定方式評價(jià)碳纖維復(fù)合材料的表面加工質(zhì)量（即面粗糙度），該方法考慮了待測表面所有的測量點(diǎn)，能真實(shí)地反映工件的表面情況；評價(jià)指標(biāo)采用三維評定參數(shù)中的表面算數(shù)平均偏差Sa和表面均方根偏差Sq[9]；形貌觀測和表面粗糙度采用VK-X200K激光共聚焦顯微鏡測量。

單因素對比試驗(yàn)

單因素對比試驗(yàn)可以比較旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)磨削和普通磨削CFRP材料的表面加工質(zhì)量，通過控制因素變量，選擇合理的工藝因素取值范圍，分別研究主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度和工具粒度對加工質(zhì)量的影響規(guī)律，超聲振幅取8μm。有無超聲振動(dòng)條件下，各項(xiàng)加工參數(shù)的選取情況見表2。

表2 單因素試驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)

1 各工藝因素影響規(guī)律分析

圖4所示為各工藝因素對表面粗糙度影響的變化曲線，可以看出超聲振動(dòng)磨削后的表面粗糙度比普通磨削后明顯降低，主要是由于超聲振動(dòng)作用可以改善磨粒對工件材料的去除機(jī)理，使得碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料更容易形成短細(xì)碎屑而被去除，進(jìn)而形成較好的加工表面。由圖4（a）可以得出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，在相同時(shí)間內(nèi)，磨粒磨削工件表面的次數(shù)增加，且在相同進(jìn)給速度下單顆磨粒去除材料體積減小，使得加工表面質(zhì)量提高，表面粗糙度降低。具體來說，在較低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速的增大使表面粗糙度降低趨勢明顯，轉(zhuǎn)速增至較高范圍后，表面粗糙度降低趨勢較平緩。

由圖4（b）可以得出，在選取不同切削深度時(shí)，由于工件為層鋪復(fù)合材料，使其在不同的磨削深度下形成不同的表面形貌。本試驗(yàn)中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單層纖維束的平均厚度約為125μm，當(dāng)磨削表面在相同鋪層時(shí)，表面粗糙度會相對較低；當(dāng)磨削平面在兩鋪層之間時(shí)，則表面粗糙度值較大；且如果切削深度的波動(dòng)范圍在相同鋪層時(shí)，切削深度越小，表面質(zhì)量就相對較好?？傮w來講，磨削深度的變化，使表面粗糙度在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)變化。

圖4（c）為進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響：隨著進(jìn)給速度增大，表面粗糙度增大，且進(jìn)給速度超過一定范圍后，表面粗糙度顯著增加，表面質(zhì)量急劇下降。這是由于增大進(jìn)給速度會使工具端面單位面積的磨粒在單位時(shí)間內(nèi)的材料去除量明顯增加，導(dǎo)致工具切削力增大，磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡形成的包絡(luò)面偏稀疏，工件表面加工質(zhì)量變差。通常應(yīng)在保證工件表面質(zhì)量的前提下，增加進(jìn)給速度來獲得更高的加工效率。

圖4（d）為工具粒度對表面粗糙度的影響，工具粒度的曲線出現(xiàn)波動(dòng)，存在最優(yōu)點(diǎn)。對于較小的工具粒度，磨粒尺寸較大、數(shù)量少、磨粒周圍空隙較大，因此磨削過程中單位面積工件上參與磨削的磨粒較少，單顆磨粒的材料去除量大，切削力較大，加工質(zhì)量不高；對于較大的工具粒度，磨粒尺寸小、數(shù)量多，磨粒周圍的空隙小，容屑能力較差；同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料加工過程中為干式切削方式，并產(chǎn)生碎末狀切屑。從實(shí)際加工效果來看，工具在附加了超聲振動(dòng)后，其端面仍會發(fā)生一定程度的堵塞，因而導(dǎo)致工件表面粗糙度變大。因此，工具粒度的變化趨勢中存在最優(yōu)點(diǎn)，通過曲線可以看出最優(yōu)工具粒度為120#。

圖4 工藝因素對表面粗糙度的影響Fig.4 Effects of process factors on surface roughness

2 表面加工質(zhì)量對比分析

選取表2中主軸轉(zhuǎn)速1500r/min，切削深度0.15mm，進(jìn)給速度180mm/min，工具粒度為60#的一組工藝參數(shù)加工后的工件，在激光共聚焦顯微鏡下分別觀察超聲振動(dòng)磨削和普通磨削后表面的微觀形貌，如圖5所示?？梢钥闯?，超聲振動(dòng)磨削和普通磨削后表面均存在纖維絲斷裂、剝離等缺陷，但相比來說，普通磨削后工件表面缺陷分布較多，而且存在明顯的溝槽和凹坑，表面質(zhì)量較差；超聲振動(dòng)磨削后加工表面纖維絲未出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，凹坑較小且分布不明顯，表面相對較平坦，因此表面粗糙度值較小。

從切削機(jī)理上來看，由于磨削工具上附加了超聲振動(dòng)，磨粒在去除材料時(shí)為斷續(xù)切削過程，其產(chǎn)生的超聲沖擊作用使得磨粒獲得較大的瞬時(shí)加速度，可以迅速將碳纖維絲切斷（纖維以剪切斷裂的形式被去除）；同時(shí)超聲振動(dòng)的斷續(xù)切削過程使得平均切削力變小，保證切削過程平穩(wěn)，從而避免了纖維的拔出和剝離。從圖5中還可觀察發(fā)現(xiàn)：由于磨粒在工件平面的法線方向上振動(dòng)，不可避免地將已加工表面的碳纖維切斷，但整體來看表面加工質(zhì)量仍相對較好；普通磨削中磨粒為連續(xù)切削，碳纖維絲在磨粒的連續(xù)擠壓下發(fā)生彎曲斷裂，碳纖維為硬脆材料，在這種受力狀況下易使長纖維被剝離，從而形成毛刺和微型凹槽等缺陷，表面質(zhì)量難以保證。

圖5 超聲振動(dòng)端面磨削和普通磨削表面質(zhì)量對比Fig.5 Comparison of surface quality between rotary ultrasonic face grinding and ordinary grinding

正交試驗(yàn)

采用無交互正交試驗(yàn)法，設(shè)計(jì)L25（54）無交互正交試驗(yàn)表，分別研究超聲振動(dòng)磨削加工中主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給量和工具粒度對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工質(zhì)量的影響規(guī)律，并進(jìn)行極差分析，得出各因素對加工質(zhì)量的影響程度。各因素工藝參數(shù)的取值范圍、極差分析結(jié)果分別如表3和表4所示。

表3 正交試驗(yàn)各參數(shù)取值范圍

圖6 工藝參數(shù)對Sa的影響Fig.6 Effects of process parameters onSa

表4Sa值極差分析結(jié)果 μm

由單因素試驗(yàn)可以看出，Sq值與Sa值隨工藝因素不同水平的變化趨勢基本一致，因此本文以Sa為指標(biāo)。由表4可以得到工藝參數(shù)對Sa值的變化曲線（如圖6所示），可以看出Sa值隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著進(jìn)給速度的增加而升高，隨著切削深度和工具粒度的增加出現(xiàn)波動(dòng)，可以找到其最優(yōu)值，這與上節(jié)單因素所得處的結(jié)論相同。

由極差分析可知，進(jìn)給速度對Sq值的影響最大，其次是主軸轉(zhuǎn)速和切削深度，工具粒度對Sq值影響最小。最優(yōu)的超聲振動(dòng)磨削加工工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速2500r/min，切削深度0.1mm，進(jìn)給速度60mm/min，工具粒度為120#。這些規(guī)律為碳纖維復(fù)合材料的實(shí)際加工提供了依據(jù)，通常應(yīng)在保證所要求表面質(zhì)量的前提下，盡可能提高加工效率。對于表面質(zhì)量要求一般、需要高效率加工的工件，可以優(yōu)先依次增加進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速和切削深度；對于表面質(zhì)量要求較高、需要精加工的表面（比如裝配面等），可以選擇較大的主軸轉(zhuǎn)速、較小的進(jìn)給速度或切削深度，并選擇粒度為120#的磨削工具進(jìn)行加工。

結(jié)論

（1）通過對超聲振動(dòng)磨削和普通磨削進(jìn)行試驗(yàn)對比，并觀察分析兩者的微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)與普通磨削相比，超聲振動(dòng)加工可以顯著降低表面粗糙度，提高加工表面質(zhì)量，減少工件表面纖維斷裂、拔出、凹槽等缺陷的產(chǎn)生，粗糙度值Sa降低幅度在1.2 ～2.1μm 之間。

（2）通過對超聲振動(dòng)磨削加工的工藝研究，分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，結(jié)果表明粗糙度Sa值隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著進(jìn)給速度的增加而升高，隨著切削深度和工具粒度的增加出現(xiàn)波動(dòng)，可以找到其最優(yōu)值；同時(shí)主軸轉(zhuǎn)速對Sq值的影響最大，其次是進(jìn)給速度和切削深度，工具粒度對Sq值影響最小。最優(yōu)的超聲振動(dòng)磨削加工工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速2500r/min，切削深度0.1mm，進(jìn)給速度60mm/min，工具粒度為120#。

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