碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的單脈沖放電凹坑特性研究*

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）由于具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐摩擦、耐腐蝕等諸多優(yōu)良特性，近年來在航空航天、汽車等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法對(duì)其進(jìn)行加工時(shí)，常會(huì)引起層間分離、碳纖維脫落等問題，很難得到良好的加工質(zhì)量與加工精度，并且還會(huì)使刀具磨損嚴(yán)重。電火花加工為非接觸加工，適用于難切削材料的加工，近年來，利用電火花加工方法進(jìn)行CFRP加工的研究也開始出現(xiàn)[1-2]。CFRP的電火花加工原理是： CFRP材料表層中非導(dǎo)電樹脂基部分在一定的電流條件下可被碳化成導(dǎo)電材料，而深層的樹脂基部分由于放電時(shí)的熱影響又繼續(xù)被碳化為導(dǎo)電材料，從而使得電火花加工可持續(xù)進(jìn)行。

電火花加工表面是無數(shù)放電凹坑重疊而成的，單個(gè)放電凹坑的形貌決定著最終的加工表面質(zhì)量。由于CFRP的許多性質(zhì)與纖維排布方向有著極大的關(guān)系，具有明顯的方向性。因此，通過單脈沖放電，研究單脈沖放電下放電凹坑的形貌，對(duì)明確CFRP不同纖維排布方向上電火花加工中材料去除的基本模式，提高CFRP的電火花加工特性具有重要意義。本文通過單脈沖放電試驗(yàn)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的放電凹坑特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)不同碳纖維排布方向上放電凹坑的形狀和個(gè)數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，并分析了多個(gè)放電凹坑產(chǎn)生的原因。

碳纖維排布方向?qū)Ψ烹姲伎有螤畹挠绊?/h2>

在工具電極與碳纖維垂直（見圖1（a））和工具電極與碳纖維平行（見圖1（b））方向上分別對(duì)CFRP進(jìn)行單脈沖放電，利用共聚焦顯微鏡（OSL3000）對(duì)放電凹坑進(jìn)行觀察。試驗(yàn)條件如表1所示。

1 電極與碳纖維垂直時(shí)放電凹坑形貌

電極與碳纖維垂直時(shí)放電凹坑形貌如圖2所示。由圖2可知，在此方向上被除去的樹脂區(qū)域呈橢圓形。其原因可能為碳纖維的導(dǎo)熱率（約為10W/（m·K））大于環(huán)氧基樹脂的導(dǎo)熱率（約為 0.2W/（m·K）），使熱量沿纖維方向（圖3方向1）傳遞較垂直纖維方向（圖3方向2）快，熱傳導(dǎo)呈現(xiàn)出一定的方向性。又因?yàn)樘祭w維的熔點(diǎn)（3300K以上）遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹脂的軟化點(diǎn)（約為500K），所以在沿纖維排布方向上的區(qū)域內(nèi)，樹脂被大量除去，留下裸露的碳纖維，并使放電凹坑呈現(xiàn)出橢圓形。

圖1 碳纖維不同排向的CFRP電火花加工Fig.1 Electrical discharge machining of CFRP with different carbon fiber directions

圖2 電極與碳纖維垂直時(shí)的放電凹坑Fig.2 Discharge crater when the electrode is perpendicular to the carbon fiber

圖3 電極與碳纖維垂直時(shí)放電傳熱方向Fig.3 Heat transfer direction caused by discharge when the electrode is perpendicular to the carbon fiber

2 電極與碳纖維平行時(shí)放電凹坑形貌

電極與碳纖維平行時(shí)放電凹坑形貌如圖4所示。由圖4可知，電極與碳纖維平行時(shí)的放電凹坑與電極與碳纖維垂直時(shí)的放電凹坑不同，在表1試驗(yàn)條件下，碳纖維與樹脂都被除去的區(qū)域約為Φ97μm圓形區(qū)域，僅樹脂被除去的區(qū)域?yàn)棣?90μm圓形區(qū)域。深度約為70μm。電極與碳纖維平行時(shí)的熱傳導(dǎo)模型如圖5所示，由于熱量沿水平各個(gè)方向傳遞速度幾乎相同，所以放電凹坑呈圓形。

CFRP單脈沖放電凹坑個(gè)數(shù)

不論是電極與碳纖維垂直時(shí)還是電極與碳纖維平行時(shí)對(duì)CFRP進(jìn)行單脈沖放電，都有可能得到多個(gè)放電凹坑，如圖6所示。電極與碳纖維垂直時(shí)，在單脈沖放電條件下，產(chǎn)生兩個(gè)放電凹坑，如圖6（a）所示；電極與碳纖維平行時(shí)，在單脈沖放電條件下，產(chǎn)生3個(gè)放電凹坑，如圖6（b）所示。試驗(yàn)條件見表1。

表1 試驗(yàn)條件

1 多個(gè)放電凹坑產(chǎn)生概率統(tǒng)計(jì)分析

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)CFRP進(jìn)行單脈沖放電產(chǎn)生多個(gè)放電凹坑并非偶然現(xiàn)象。為了探究多個(gè)放電凹坑產(chǎn)生的概率，分別在電極與碳纖維垂直時(shí)以及電極與碳纖維平行時(shí)對(duì)CFRP進(jìn)行50次單脈沖放電，試驗(yàn)后利用共聚焦顯微鏡OSL3000對(duì)放電凹坑進(jìn)行觀察，統(tǒng)計(jì)多個(gè)放電凹坑出現(xiàn)次數(shù)。試驗(yàn)條件如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果為電極與碳纖維垂直時(shí)，出現(xiàn)多個(gè)凹坑的概率為86%；電極與碳纖維平行時(shí)，出現(xiàn)多個(gè)凹坑的概率為50%，如圖7所示。

圖4 電極與碳纖維平行時(shí)的放電凹坑Fig.4 Discharge crater when the electrode is parallel to the carbon fiber

圖5 電極與碳纖維平行時(shí)放電傳熱方向Fig.5 Heat transfer direction caused by discharge when the electrode is parallel to the carbon fiber

圖6 單脈沖在CFRP上形成的多個(gè)放電凹坑Fig.6 Multiple discharge craters formed on the CFRP by single pulse discharge

圖7 CFRP單脈沖放電個(gè)數(shù)Fig.7 Discharge number on CFRP by single pulse discharge

2 多個(gè)放電凹坑的產(chǎn)生機(jī)制

關(guān)于單脈沖放電得到多個(gè)凹坑的現(xiàn)象，日本學(xué)者橋口清人[3]提出了多次放電分析模型。多次放電是指在一個(gè)放電間隙并排形成復(fù)數(shù)個(gè)放電通道。若要在單個(gè)脈沖下形成多個(gè)放電凹坑，則需要在多處產(chǎn)生極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成多個(gè)放電通道?，F(xiàn)引用橋口清人教授的理論，將其應(yīng)用于解釋CFRP在單脈沖條件下產(chǎn)生多個(gè)放電凹坑的原因，以兩個(gè)放電凹坑為例進(jìn)行說明。設(shè)P1、P2點(diǎn)為極間擊穿電壓最小的兩點(diǎn)，擊穿電壓分別為 Vs1、Vs2， Vs1＜ Vs2。電流流入點(diǎn)P0與P1點(diǎn)間的等效電阻為R1，P0與P2點(diǎn)間的等效電阻為R2，P1與P2點(diǎn)間的等效電阻為 R3。因?yàn)?Vs1＜ Vs2，所以在P1點(diǎn)處先發(fā)生放電。電流流向如圖8所示。設(shè)P1點(diǎn)放電時(shí)放電電壓為eg，若要P2點(diǎn)產(chǎn)生放電，則需滿足式（1）。

由于R1≈ R2，所以式（2）可化簡(jiǎn)為

圖8 CFRP在單脈沖下多次放電原理圖Fig.8 Principle diagram of multiple discharges on CFRP by single pulse discharge

由式（1）～（3）可知，若 R1、R2、R3、i1或i2較大，則上式越容易被滿足，即工件電阻較大或流過工件電流較大時(shí)容易產(chǎn)生多個(gè)放電凹坑。CFRP由于含有電阻率較大的環(huán)氧基樹脂，其電阻率大于普通金屬，相對(duì)于普通金屬，更容易滿足上式，即更容易在單脈沖放電下產(chǎn)生多個(gè)放電凹坑。此外，由于碳纖維的電阻率遠(yuǎn)小于環(huán)氧樹脂，電極與碳纖維排布方向垂直時(shí)的等效電阻R1與R2大于電極與碳纖維排布方向平行時(shí)的等效電阻R1與R2，而放電點(diǎn)之間由于距離很小，等效電阻R3相差不大，所以電極與碳纖維排布方向垂直時(shí)相對(duì)于電極與碳纖維排布方向平行時(shí)，更容易出現(xiàn)多個(gè)放電凹坑。

3 脈寬對(duì)放電凹坑個(gè)數(shù)的影響

由圖9可以看出，脈寬增大時(shí)，放電凹坑個(gè)數(shù)呈現(xiàn)增多趨勢(shì)。其原因可能為脈寬變大后增加了多次放電的機(jī)會(huì)，使得脈寬越大時(shí)，產(chǎn)生的放電凹坑越多。

一般情況下，放電脈寬越大，放電凹坑直徑越大。但由于圖9還可以看出脈寬增大后放電凹坑個(gè)數(shù)雖然增多，但放電凹坑的大小并無明顯變化。其原因可能為多次放電時(shí)，能量被分成幾次釋放，其總能量與一次放電相同，所以脈寬增大時(shí)，凹坑個(gè)數(shù)增多而凹坑大小則沒有明顯變化。

圖9 不同脈寬下的放電凹坑Fig.9 Discharge craters under different pulse width

結(jié)論

（1）電極與碳纖維排布方向垂直時(shí)，放電凹坑呈橢圓形；電極與碳纖維排布方向平行時(shí)，放電凹坑呈圓形。碳纖維的導(dǎo)熱率大于環(huán)氧樹脂，而碳纖維的升華點(diǎn)大于環(huán)氧樹脂的軟化點(diǎn)是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

（2）在單脈沖放電條件下CFRP容易產(chǎn)生多個(gè)放電凹坑，其原因是CFRP具有較高的電阻率，且脈寬越大越容易產(chǎn)生多個(gè)放電凹坑。

參考文獻(xiàn)

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