基于短纖維增強(qiáng)的復(fù)合氣壓砂輪基體性能研究

姜文雍+鄭孟翔+卜雪鋼+余麗霞+厲志安

摘要：為了提高自由曲面高效光整加工效率，將軟固結(jié)氣壓砂輪光整技術(shù)應(yīng)用到模具加工中。提出了一種通過添加天絲短纖維，提高氣壓砂輪基體力學(xué)性能的新方法。運(yùn)用有限元軟件，仿真分析了不同纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氣壓砂輪對模具表面光整加工時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變變化情況，驗(yàn)證了隨著短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，氣壓砂輪基體的仿形能力越好，其材料去除能力也越強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：剪切滯后理論；短纖維增強(qiáng)；復(fù)合氣壓砂輪基體；力學(xué)性能；仿形能力；有限元

中圖分類號：TG743 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.001

0 引言

模具在現(xiàn)代社會中具有十分重要的作用，為了滿足模具表面高壽命、高耐磨性和高耐腐蝕性等新要求，表面激光強(qiáng)化技術(shù)在模具行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，表面激光強(qiáng)化技術(shù)在大幅度提高模具表面性能的同時(shí)，也使加工難度增加。在對自由曲面的光整加工時(shí)，由于一般的剛性研磨工具難以與工件曲面形成良好的面接觸；也難以把握各局部的加工力度和加工時(shí)間，因此，不但加工質(zhì)量不穩(wěn)定且加工效率低。針對這一現(xiàn)狀，浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)時(shí)鳴等人提出了一種適用于激光強(qiáng)化后具有高硬度自由曲面的模具表面光整加工技術(shù)：軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪（Softness Consolidation Abrasives Pneumatic Wheel， 簡稱為SCAPW）加工方法[1-2]。

軟固結(jié)氣壓砂輪主要由氣壓砂輪基體、高聚物粘接劑和磨粒組成，其中粘接劑和磨粒均勻附著在氣壓砂輪基體上，如圖1所示。

在對模具的自由曲面進(jìn)行加工時(shí)，氣壓砂輪應(yīng)當(dāng)與自由曲面有較好的仿形接觸，以便盡可能地加大與曲面的接觸面積，使更多的磨粒參與到加工中去，這就要求氣壓砂輪基體具有良好的粘彈性。高聚物材料同時(shí)具有良好的粘性和彈性，而橡膠是一種典型的高聚物材料，因此選用橡膠作為氣壓砂輪基體的材料。

天絲纖維是一種綠色無毒的纖維，其橫截面一般為圓形或橢圓形，線密度大部分為0.17tex，并具有懸垂性好，無毒環(huán)保、舒適柔軟等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于紡織工業(yè)與醫(yī)學(xué)業(yè)。本文選用1.4 D×38 mm的A100型非原纖化天絲纖維。

1 短纖維增強(qiáng)氣壓砂輪基體理論基礎(chǔ)

短纖維與橡膠混合常用的理論模型有三種：

（1）串聯(lián)——并聯(lián)混合模型；

（2）隨機(jī)混合模型；

（3）纖維單向分布模型。

短纖維增強(qiáng)橡膠基體的原理是：當(dāng)復(fù)合材料承受外載荷時(shí)，外力通常先作用在橡膠基體上，由于短纖維的彈性模量遠(yuǎn)大于橡膠材料的彈性模量，因此橡膠產(chǎn)生的變形將遠(yuǎn)大于短纖維產(chǎn)生的變形。較小彈性模量橡膠的變形受到了較大彈性模量的短纖維的制約，于是在兩者結(jié)合的界面上形成了剪切應(yīng)力，就這樣，通過界面的應(yīng)力傳遞，把作用在橡膠基體上的力傳遞到具有高模量、高強(qiáng)度的短纖維上[3]。Cox[4]提出的剪滯模型就是針對短纖維增強(qiáng)中纖維與橡膠基體的應(yīng)力傳遞分析最重要的理論模型，如圖2所示。

2 復(fù)合氣壓砂輪力學(xué)性能分析

利用密煉機(jī)制備氣壓砂輪所需的復(fù)合材料，利用一個(gè)專用的模具制備氣壓砂輪基體。本文選用邵氏硬度40 HA的橡膠作為復(fù)合材料的基體，參照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》中的規(guī)定制成啞鈴狀試樣，在Instron試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。研究表明，當(dāng)短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)未超過10%時(shí)，復(fù)合材料與橡膠材料相比，其邵氏硬度基本未發(fā)生變化[5]。

圖3為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維后，復(fù)合材料的應(yīng)變—應(yīng)力關(guān)系曲線圖。圖3（a）所示為未添加任何短纖維時(shí)，橡膠材料的應(yīng)變—應(yīng)力曲線圖，其曲線光滑，幾乎未見波動，直到應(yīng)變量達(dá)到800%以上時(shí)材料才發(fā)生斷裂；圖3（b）所示為添加8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的天絲纖維后，復(fù)合材料發(fā)生斷裂時(shí)應(yīng)變量急劇下降。

圖3（b）和圖3（c）所示為，在同等硬度條件下，不同的天絲纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的復(fù)合材料斷裂應(yīng)變量和應(yīng)變力。對比圖3（b）和圖3（c）可以發(fā)現(xiàn)：隨著天絲纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的斷裂應(yīng)力呈現(xiàn)增長的趨勢，而斷裂應(yīng)變量則呈現(xiàn)出減小的趨勢。斷裂應(yīng)力的增加，表明隨著短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，短纖維在改善復(fù)合材料柔韌性的同時(shí)，也提高了仿形能力，使其更加不容易斷裂。斷裂應(yīng)變量減小則是因?yàn)樵谔砑恿硕汤w維后，短纖維和橡膠的接觸界面產(chǎn)生了剪切應(yīng)力，改變了橡膠原來的力學(xué)狀態(tài)，使其更容易發(fā)生斷裂。

由短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)變—應(yīng)力關(guān)系曲線圖可以發(fā)現(xiàn)：在初始階段，短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力隨著應(yīng)變的提高而快速增長。拉伸曲線在初始階段可以近似地看成線性關(guān)系。

3 短纖維增強(qiáng)氣壓砂輪加工仿真分析

軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪主要是通過磨粒與工件接觸并發(fā)生相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)材料的去除，其工作時(shí)的受力情況比較復(fù)雜。氣壓砂輪最后加工的效率主要受氣壓砂輪下壓量及其內(nèi)部充氣壓力，氣壓砂輪基體材質(zhì)以及與工件接觸的夾角等因素的影響。通過有限元仿真軟件ANSYS模擬不同氣壓砂輪基體在激光強(qiáng)化表面模具光整加工時(shí)的仿形能力以及接觸應(yīng)力的分布情況，可以指導(dǎo)以后的光整加工試驗(yàn)。

仿真選用外徑35 mm、厚度2.5 mm的氣壓砂輪，砂輪充氣壓力0.1 MPa，氣壓砂輪下壓量為1.5 mm， 氣壓砂輪基體的短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、2.5%、5%，對應(yīng)編號分別為1、2、3。氣壓砂輪磨粒層彈性模量取4 MPa，泊松比取0.49[6]。被加工材料為高碳鋼，其彈性模量E為210 GPa，泊松比μ為0.3[7]。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4為氣壓砂輪壓應(yīng)力云圖，從圖中可見氣壓砂輪工作時(shí)在砂輪基體和工件的接觸區(qū)受力明顯；壓力值的大小隨著短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。由修正后的Preston方程[8]可知，隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，氣壓砂輪基體的仿形能力得到改善的同時(shí)，其材料去除的能力也得到了增強(qiáng)，進(jìn)而提高了光整加工效率，驗(yàn)證了短纖維增強(qiáng)氣壓砂輪基體的理論構(gòu)想。

4 結(jié)論

（1） 介紹了短纖維與橡膠混合的理論模型及短纖維增強(qiáng)氣壓砂輪基體理論基礎(chǔ)。利用短纖維增強(qiáng)理論，分析了添加天絲短纖維的復(fù)合氣壓砂輪力學(xué)性能。

（2） 基于有限元的方法，仿真分析了不同纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氣壓砂輪對模具表面光整加工時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變變化情況，驗(yàn)證了隨著短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，氣壓砂輪基體的仿形能力越好，其材料去除能力也越強(qiáng)。

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