碳纖維增強復合材料低溫冷風磨削試驗研究

張高峰　何　楊　魯炎鑫　周后明　朱科軍

湘潭大學，湘潭，411105

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碳纖維增強復合材料低溫冷風磨削試驗研究

張高峰何楊魯炎鑫周后明朱科軍

湘潭大學，湘潭，411105

采用SD80N100B金剛石砂輪開展了單向碳纖維復合材料的低溫冷風磨削與常溫干式磨削的對比試驗研究，探討了低溫冷風與磨削參數(shù)對碳纖維復合材料磨削性能的影響。采用掃描電鏡與超景深電子顯微鏡觀察了磨削后的表面形貌和亞表面損傷情況，并分析了表面粗糙度的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明：與常溫干式磨削相比，低溫冷風磨削的磨削力增大，表面粗糙度減?。辉诘蜏乩滹L和常溫干式兩種磨削方式下，縱向90°磨削較其他磨削方向的磨削力更大，表面粗糙度更小。

單向碳纖維復合材料；低溫冷風；磨削；表面形貌

0　引言

碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料(簡稱碳纖維復合材料，CFRP)因其良好的比強度、比剛度而廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域。通常采用磨削加工來制備碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)件和零部件[1-2]。然而，由于碳纖維復合材料基體與纖維界面性能以及其宏觀力學各向異性，導致在加工過程中易出現(xiàn)基體開裂、纖維拔出、斷裂、分層、毛邊等問題，因此，研究合適的磨削加工工藝對碳纖維復合材料加工尤為重要。

目前，由于濕式磨削容易影響碳纖維復合材料的力學性能，碳纖維復合材料磨削主要以干式加工為主。然而，碳纖維復合材料熱導率小，磨削過程產(chǎn)生的熱量60%～95%被傳入工件，容易引起碳纖維復合材料的局部軟化、燒傷等缺陷，從而影響被加工零部件的使用性能。低溫冷風磨削是向磨削區(qū)域噴射低溫壓縮空氣，加快磨削熱在工件、磨屑和砂輪表面上的傳導，降低磨削區(qū)域溫度的加工方法[3-4]。低溫冷風磨削避免使用制造成本高、有害環(huán)境和人體健康的磨削液，符合綠色制造與環(huán)保理念[5]。

不少學者對碳纖維復合材料的加工展開了研究，如Uhlmann等[6]采用CVD涂層刀具、水射流切割、CO2射流切割以及磨削等創(chuàng)新技術(shù)來加工CFRP，其中采用順磨逆磨同時加工的試件邊緣質(zhì)量比只用順磨的要好，并提出了一種定量評價CFRP表面質(zhì)量的創(chuàng)新方法。Hanasaki等[7]研究了CFRP在干式磨削下的溫度，纖維取向與表面粗糙度之間的關(guān)系，分析了磨削過程中材料的去除方式。Ogi等[8]建立了單向CFRP在不同溫度和載荷下的二維模型，用來預測CFRP的阻力和壓電電阻的行為變化。Sasahara等[9]采用干磨削、外部噴嘴和內(nèi)部噴嘴提供冷卻液的方法對CFRP進行端面磨削，分析了三種加工方式下CFRP的粗糙度和材料的分層現(xiàn)象，推薦使用內(nèi)部噴嘴提供冷卻液進行加工。Hu等[10]通過與直角切削對比，研究了CFRP的纖維取向和砂輪磨削深度對磨削力和表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明纖維取向在60°到90°之間時磨削力更大，但在120°到180°之間時，得到較差的磨削表面。Soo等[11]采用單層電鍍金剛石和CBN砂輪磨削CFRP，對比分析了砂輪的磨損、磨削力及表面質(zhì)量的變化。

雖然對碳纖維復合材料的加工研究較多，但對低溫冷風磨削碳纖維復合材料研究報道較少。如果采用油基類[12]、水溶液或者水溶液冷卻介質(zhì)對碳纖維復合材料進行濕法加工，容易引起碳纖維復合材料的吸濕和溶脹行為，從而影響碳纖維復合材料的力學性能與使用性能。本文采用金剛石砂輪在低溫冷風和常溫干式兩種磨削方式下，對單向板材碳纖維復合材料進行平行、橫向90°和縱向90°三種方向的磨削試驗。分別從磨削力、表面粗糙度、表面形貌、亞表面損傷等方面進行對比分析，以期為低溫冷風冷卻方法在碳纖維復合材料磨削加工領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1　試驗材料、設(shè)備與方法

1.1試驗材料與設(shè)備

材料選用環(huán)宇復合材料制品廠生產(chǎn)的單向碳纖維復合材料預浸料層壓板。碳纖維復合材料的力學性能如表1所示。磨削試驗在MGK7120X60高精密平面磨床上進行，采用SD80N100B金剛石砂輪進行磨削。采用重慶成田低溫加工技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CTL-30/2冷風射流機提供低溫冷風，圖1為磨削試驗裝備圖?；谌鹗縆istler9257B三向動態(tài)壓電晶體式測力儀測量磨削力，使用JB-4C精密粗糙度測試儀測量磨削后的表面粗糙度。通過日本基恩士公司的超景深顯微鏡(VHX-2000)和日本日立公司的掃描電鏡(SEM)觀察磨削后的表面形貌及亞表面損傷。

表1　碳纖維復合材料及其力學性能

圖1　碳纖維復合材料磨削裝備圖

1.2試驗方法

首先將板材切割成18 mm×10 mm×12 mm規(guī)格的試件，圖2為碳纖維復合材料加工前的顯微形貌圖。磨削試驗前，對金剛石砂輪進行整形與修銳，確保金剛石砂輪良好的磨削性能，然后選取三種磨削方向進行常溫干式和低溫冷風的對比試驗，分別為平行、橫向90°、縱向90°三個方向。其中：平行為平行于纖維長度方向；橫向90°為在平行于纖維長度方向平面內(nèi)并垂直于纖維方向；縱向90°為垂直于纖維長度方向。室內(nèi)環(huán)境溫度為25℃，具體磨削試驗參數(shù)如表2所示。磨削后表面的粗糙度值以Ra作為評價指標，取樣長度0.25 mm，測量長度1.25 mm，每個樣本沿垂直磨削加工的方向測量5次后取平均值。

(a)平行于纖維方向　　　　 (b)垂直于纖維方向圖2　碳纖維復合材料磨削前顯微形貌圖

砂輪線速度vs(m/s)25磨削深度ap(μm)5,20,50,100,200工件速度vw(m/min)1.8,3,6低溫冷風槍入口空氣壓力p(MPa)0.4出口冷風溫度(℃)-35噴嘴冷風溫度(℃)-15出口冷風流量(m3/min)2噴嘴距離磨削區(qū)的距離L(mm)50

2　試驗結(jié)果及分析

2.1磨削力的影響分析

圖3是不同磨削深度下，在常溫干式、平行磨削、vw=1.8 m/min時的法向力實測波動曲線圖。從圖中可知，磨削力在平穩(wěn)階段仍有一定的波動，這與工件材料、砂輪的徑向跳動等因素有關(guān)，為便于分析，取曲線平穩(wěn)波動時間內(nèi)的平均值作為該磨削條件下的磨削力。

圖3　平行磨削的法向力波動曲線圖(vw=1.8 m/min，常溫干式)

圖4和圖5分別為法向力和切向力隨磨削深度、工件速度、磨削方向以及磨削方式的變化曲線。由圖可知，法向和切向磨削力均隨著磨削深度和工件速度的增大而增大。對比分析圖4和圖5可知，橫向90°磨削的磨削力最小，縱向90°磨削的磨削力最大，如低溫冷風條件下，工件速度為6 m/min、磨削深度為200 μm時，平行、橫向90°、縱向90°的法向磨削力分別為22 N、18 N、26 N。

(a)平行

(b)橫向90°

(c)縱向90°1.vw=1.8 m/min，常溫干式　2.vw=1.8 m/min，低溫冷風3.vw=3 m/min，常溫干式　4.vw=3 m/min，低溫冷風5.vw=6 m/min，常溫干式　6.vw=6 m/min，低溫冷風圖4　不同條件下CFRP法向磨削力曲線圖

(a)平行

(b)橫向90°

(c)縱向90°1.vw=1.8 m/min，常溫干式　2.vw=1.8 m/min，低溫冷風3.vw=3 m/min，常溫干式　4.vw=3 m/min，低溫冷風5.vw=6 m/min，常溫干式　6.vw=6 m/min，低溫冷風圖5　不同條件下CFRP切向磨削力曲線圖

這與不同磨削方向下CFRP的去除機理有關(guān)，如圖6所示。當磨削方向與纖維方向平行時，由圖6a可知，被切削材料首先發(fā)生層間分離，進而被掀起，材料沿著纖維-基體交界面發(fā)生開口破裂，而纖維-基體的黏結(jié)強度遠低于纖維本身的強度，部分纖維的斷裂去除有助于減小磨削力。當磨削方向為縱向90°時，如圖6c所示，碳纖維主要是通過磨粒的微量切削去除，由于碳纖維強度大，磨粒微切削過程中所消耗的能量多，導致宏觀的磨削力相對較大。當磨削方向為橫向90°時，如圖6b所示，由于磨粒在微切削碳纖維的同時，還會通過剪斷碳纖維導致部分剪斷的碳纖維從表層剝落，磨削過程中碳纖維的斷裂與剝落有助于降低能量消耗，從而有助于減小宏觀磨削力。另外，由圖4和圖5可知，低溫冷風比常溫干式的磨削力要大，這是因為低溫下碳纖維復合材料的界面結(jié)合強度增大，材料的層間剪切強度增大，而在常溫干式磨削方式下，相對較高的磨削溫度將降低結(jié)合劑對碳纖維的把持強度，從而減小磨削力。

(a)平行

(b)橫向90°

(c)縱向90° 圖6　CFRP磨削機理模型

(a)ap=5 μm

(b)ap=200 μm 圖7　試件表面粗糙度測量曲線圖(vw=3 m/min)

2.2表面粗糙度的影響分析

圖7為低溫冷風平行纖維磨削方式下，磨削深度為5 μm和200 μm時，試件表面粗糙度測量曲線圖。橫坐標代表測量的長度值，縱坐標代表測量的表面輪廓高度值。圖7a、圖7b的曲線有明顯的區(qū)別，且Ra值分別為0.976 μm、1.497 μm。

圖8為試件磨削后表面粗糙度隨磨削深度、工件速度、磨削方向以及磨削方式的變化柱狀圖。從圖中可以看出，表面粗糙度隨磨削深度的增大而增大，與工件速度成正比關(guān)系，這與前文磨削力的分析結(jié)果相一致。在兩種磨削方式下，均有縱向90°磨削比其他兩種磨削方向的表面粗糙度要小，該結(jié)論與文獻[10]中的結(jié)果是吻合的。平行纖維磨削的粗糙度最大，結(jié)合磨削力的機理分析可知，沿著纖維方向主要發(fā)生纖維-基體的層間分離以及大量纖維的拔出，從而造成表面粗糙度相對較大。

(a)vw=1.8 m/min

(b)vw=3 m/min

(c)vw=6 m/min

圖8試件表面粗糙度的變化關(guān)系柱狀圖

從圖8中可以看出，在三種磨削方向下，低溫冷風的表面粗糙度均較常溫干式要小。這是因為低溫冷風能有效降低磨削區(qū)域的溫度，復合材料中樹脂基體的脆性增加，表現(xiàn)出彈性模量增大，碳纖維復合材料主要是通過磨粒的切削作用去除，材料在磨粒剪切與擠壓作用下發(fā)生局部塑性變形的程度相對較小，從而使表面粗糙度相對較小；而在常溫干式磨削條件下，磨削溫度相對較高，會引起局部材料的軟化，在磨粒的剪切與擠壓作用下，會引起材料的局部流動與塑性變形，因此，常溫干式磨削的表面粗糙度值較大。

2.3表面形貌分析

圖9為橫向90°磨削后表面顯微形貌與超景深顯微3D照片。觀察可知，圖9a中有大量裸露斷續(xù)的纖維，表面出現(xiàn)明顯的凹坑以及被剪切破損的纖維，平整度較低。這是由于碳纖維強度高[13]，樹脂基體強度低，在相同磨削力下，表面發(fā)生樹脂脫落和纖維的拔出，磨削溫度升高導致樹脂軟化，磨粒的擠壓與剪切作用導致材料局部流動與塑性變形，由于砂輪表面磨粒突出高度不一致，徑向突出高度大的磨粒導致表面形成凹坑，致使表面質(zhì)量降低。相比而言，圖9b的表面出現(xiàn)少量斷續(xù)的纖維，表面平整度好，這說明低溫冷風磨削能有效改善碳纖維復合材料工件的表面質(zhì)量，這與表面粗糙度分析結(jié)果是一致的。

(a)常溫干式

(b)低溫冷風 圖9　橫向90°磨削后表面的二維及三維顯微形貌圖(ap=50 μm，vw=6 m/min，圖中箭頭方向為磨削方向)

圖10為不同磨削條件下碳纖維復合材料的顯微形貌。圖10a、圖10b為平行纖維磨削的表面形貌，可以看出圖10a纖維成段斷裂后殘留在表面，呈現(xiàn)不規(guī)則的分層斷裂，纖維裸露明顯。而圖10b表面纖維破損小，未見明顯的不規(guī)則層次斷裂，周圍被樹脂包裹較好，粗糙度較小，表面質(zhì)量較好。這是因為碳纖維在低溫下可以獲得較好的界面黏結(jié)強度[14]，在外力作用下可以使載荷在復合材料內(nèi)部實現(xiàn)均勻分布，從而有效減少破損，提高了表面質(zhì)量。圖10c、圖10d為橫向90°纖維磨削的表面形貌，從圖中觀察可知，圖10c、圖10d表面的纖維裸露相對圖10a明顯減少，這是因為橫向90°磨削時的磨削力量小，磨削過程中有部分碳纖維被磨粒剪斷后通過剝落方式去除，磨削溫度低，表面損傷小。圖10e、圖10f所示為縱向90°纖維磨削的表面形貌，可以看出圖10e有少量的凹坑及犁溝，并存在少量短纖維的拔出現(xiàn)象(如虛線箭頭所示)；而圖10f的纖維斷口平整，表面平整，樹脂和纖維緊密包裹在一起，表面質(zhì)量較前面兩種磨削方向要好。纖維在縱向90°磨削方式下，碳纖維的去除主要通過磨粒的微切削方式去除[15]，因此磨削的表面質(zhì)量較其他兩種方向要好。

(a)平行,常溫干式　　　(b)平行,低溫冷風

(c)橫向90°,常溫干式　　(d) 橫向90°,低溫冷風

(e)縱向90°,常溫干式　　(f)縱向90°,低溫冷風 圖10　不同磨削條件下的顯微形貌圖(ap=200 μm，vw=6 m/min，圖中箭頭方向為磨削方向)

2.4亞表面的損傷分析

圖11是在兩種磨削方式下，平行纖維方向磨削后的亞表面顯微形貌圖。對比分析可知，圖11b的損傷程度要高于圖11a，這同低溫冷風與常溫干式磨削下的磨削力、表面形貌分析結(jié)果是相吻合的。

圖12、圖13分別為縱向90°和橫向90°磨削的亞表面超景深圖。圖12b圓圈標記為裂紋，而圖12a表面損傷小，說明損傷程度與磨削深度成正比。圖13b的表面出現(xiàn)凹坑，有明顯的毛刺等缺陷，而圖13a的表面破損程度低，表明損傷程度隨著工件速度的增大而增大。這是因為在橫向90°磨削方式下，隨著工件速度的增大，單磨粒的最大未變形切削層厚度增大，部分碳纖維在磨粒的剪切與擠壓作用下從表層剝落，材料剝落時會引起根部的撕裂，從而形成圖13所示的毛刺，工件速度越大，毛刺越明顯。

(a)低溫冷風　　　　　　　(b)常溫干式 圖11　平行磨削后的亞表面形貌 (ap=100 μm，vw=6 m/min)

(a)ap=20 m　　　　　　(b)ap=100 μm 圖12　縱向90°磨削的亞表面形貌 (常溫干式，vw=6 m/min)

(a)vw=1.8 m/min　　　　　(b)vw=6 m/min 圖13　橫向90°磨削的亞表面形貌 (常溫干式，ap=100 μm)

3　結(jié)論

(1)當砂輪轉(zhuǎn)速一定時，磨削力隨磨削深度和工件速度的增大而增大；在相同磨削參數(shù)下，低溫冷風下的磨削力較常溫干式有所增大；在三種磨削方向中，橫向90°磨削方式的磨削力最小，縱向90°磨削方式的磨削力最大。

(2)表面粗糙度隨磨削深度的增大而增大，與工件速度成正比關(guān)系；三種不同磨削方向中，縱向90°磨削的表面粗糙度最?。涣硗?，低溫冷風磨削的表面粗糙度較常溫干式磨削要小。

(3)碳纖維復合材料的表面損傷程度與磨削深度及工件速度成正比；縱向90°磨削的表面質(zhì)量較其他方向好；低溫冷風磨削可以抑制表面燒傷，降低纖維的損傷和斷裂，提高表面質(zhì)量，有助于改善碳纖維復合材料的磨削質(zhì)量。

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(編輯王旻玥)

Experimental Study on Cryogenic Cold Air Grinding of Carbon Fibre Reinforced Plastics

Zhang GaofengHe YangLu YanxinZhou HoumingZhu Kejun

Xiangtan University,Xiangtan,Hunan,411105

Cryogenic cold air and dry room temperature grinding experiments were carried out for unidirectional CFRP using SD80N100B diamond wheel. The influences of cryogenic cold air and grinding parameters on material grinding performance were discussed. The morphologies of ground surface and sub-surface damage were observed by scanning electron microscope and ultra-depth field optical microscopy and factors influenced on surface roughness were analyzed. The results show that, compared with dry grinding conditions, cryogenic cold air grinding results in larger grinding force, lower surface roughness. Under cryogenic cold air and dry room temperature grinding conditions, the maximum grinding force and minimum surface roughness are obtained when ground surface perpendicular to the fibres lengthen direction.

unidirectional carbon fibre reinforced plastics(CFRP); cryogenic cold air; grinding; surface morphology

2016-04-09

國家自然科學基金資助項目(51275436,51375418)；湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金資助項目(13K040);湖南省省市聯(lián)合基金資助重點項目(12JJ8015)

TG580

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.20.015

張高峰，男，1971年生。湘潭大學機械工程學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為難加工材料的切削與磨削加工。何楊，男，1989年生。湘潭大學機械工程學院碩士研究生。魯炎鑫，男，1990年生。湘潭大學機械工程學院碩士研究生。周后明，男，1970年生。湘潭大學機械工程學院副教授。朱科軍，男，1980年生。湘潭大學機械工程學院講師。