銑削參數(shù)對碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能影響研究

龔佑宏,范文濤,陳燕*,,郭南,劉軍,劉衛(wèi)平

(1. 中國商飛上海飛機制造有限公司,上海 201324;2. 南京航空航天大學(xué) 江蘇省精密與微細制造技術(shù)重點實驗室,南京 210016)

為了提高飛機飛行效率,降低其生命周期成本,飛機制造商正越來越多地使用復(fù)合材料[1]。與金屬材料相比較,復(fù)合材料比強度、比剛度、耐腐蝕性都更勝一籌[2-3],作為工業(yè)用材料其應(yīng)用范圍日益廣泛。目前,復(fù)合材料的用量已成為飛機先進性,乃至航空航天領(lǐng)域先進性的一個重要標志,是世界強國競相發(fā)展的核心技術(shù),也是我國的重點發(fā)展領(lǐng)域。復(fù)合材料成型之后,為滿足實際要求,經(jīng)常需要通過銑削加工達到尺寸及精度要求[4-5]。然而,不同的加工條件下,零件的力學(xué)性能會有所差異,不同的加工表面質(zhì)量及表面損傷也可能會導(dǎo)致應(yīng)力集中,使之提前發(fā)生斷裂失效[6]。因此,在對復(fù)合材料零件進行加工時,加工條件的設(shè)置給加工人員帶來了一定的挑戰(zhàn)。

目前,不同加工條件下的材料性能變化得到了廣泛的研究。李皓[7]在復(fù)合材料銑削加工時發(fā)現(xiàn),由于切削力和切削熱的作用,復(fù)合材料近表層微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化,加工區(qū)域近表層一定深度內(nèi)纖維會發(fā)生水平偏移,偏移量的大小與材料性能的弱化程度有較好的對應(yīng)關(guān)系。Morkavuk等[8]在銑削時將工件分別置于液氮環(huán)境和普通空氣環(huán)境中,并比較了兩種加工環(huán)境下加工試樣的拉伸性能,試驗結(jié)果表明低溫加工環(huán)境下試樣的彈性模量提高了3.04%,作者認為這是由于加工時較好的冷卻效果減少了表面熱損傷從而獲得了較高的拉伸性能。Ghidossi等[9]對比了碳纖維復(fù)合材料及玻璃纖維復(fù)合材料的面內(nèi)剪切破壞和環(huán)形試樣受壓破壞過程發(fā)現(xiàn)更脆的碳纖維復(fù)合材料對于加工初始損傷較為敏感,其破壞強度隨加工時切削速度提高而降低,且不同加工參數(shù)下不同的粗糙度和強度沒有必然聯(lián)系。Eriksen等[10]統(tǒng)計了不同加工參數(shù)下不同粗糙度的短切玻璃纖維復(fù)合材料的彎曲性能,發(fā)現(xiàn)其機械強度和表面粗糙度無關(guān)。Haddad等[11]通過對比不同加工方式(磨料水射流、磨削加工及傳統(tǒng)切削加工)下的表面質(zhì)量、壓縮強度、層間剪切強度及疲勞強度,同樣發(fā)現(xiàn)二維粗糙度(Ra,Rp,Rv等)和壓縮強度及層間剪切強度之間沒有必然的聯(lián)系,并且不同加工方式導(dǎo)致的加工缺陷對于試樣性能沒有統(tǒng)一的規(guī)律。然而Hejjaji等[12]在用磨料水射流切割CFRP樣品時,依據(jù)加工表面質(zhì)量將樣品分為3個等級,發(fā)現(xiàn)較好的加工質(zhì)量拉伸強度較高,較差的加工質(zhì)量拉伸強度較低。Squires等[13]使用半自動(0.05 mm精度)和手動切割(0.5 mm精度)方法獲得壓縮性能測試試樣,發(fā)現(xiàn)手動切割對加工面造成較大損傷,制作的部分試樣出現(xiàn)了壓縮強度大幅降低的現(xiàn)象。

上述研究表明,不同的機械加工條件下復(fù)合材料的力學(xué)性能會不同。為研究銑削加工參數(shù)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律,本文開展兩因素五水平試驗,使用不同的主軸轉(zhuǎn)速及進給量加工T800級碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能測試試樣,進行拉伸性能及壓縮性能測試。對測試結(jié)果使用95%置信水平的方差分析,探討主軸轉(zhuǎn)速及進給量的改變是否會對材料性能造成影響;并使用掃描電子顯微鏡觀察不同加工條件下的拉伸及壓縮斷口形貌,分析不同條件下材料斷裂機制的區(qū)別,探討加工參數(shù)對材料性能造成變化的原因。

1 試驗方案

1.1 試樣加工方案設(shè)計

待加工試樣為T800級多向?qū)雍习?鋪層方向為[45/90/-45/0]2s,原始板材尺寸為200 mm×200 mm×2.7 mm及200 mm×140 mm×2.7 mm,分別用來制作拉伸及壓縮性能測試試樣。使用DMU mono Block五軸高速加工中心加工,工件裝夾如圖1所示。加工刀具為OSG DIA BNC菱齒銑刀,刀具直徑10 mm,刀身基體材料為硬質(zhì)合金,并使用金剛石涂層增加刀具壽命。為避免刀具磨損帶來的影響,不同的加工參數(shù)下,使用不同刀具進行加工。

圖1 裝夾示意圖

為比較不同加工參數(shù)下材料力學(xué)性能的變化,使用不同的主軸旋轉(zhuǎn)速度及進給量進行加工,加工參數(shù)見表1,并在加工時調(diào)整加工路徑以保證樣件側(cè)銑加工時均為順銑,且所有樣件加工時均在干切條件下進行。該參數(shù)范圍較大,保證了加工后樣件的不同加工效果。為避免力學(xué)性能檢測的偶然性,每組參數(shù)下加工拉伸性能檢測試樣及壓縮性能檢測試樣各5件。

表1 加工參數(shù)

1.2 力學(xué)性能檢測與表面形貌觀察

參照ASTM D3039聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標準試驗方法[14]及ASTM D6641聚合物基復(fù)合材料層壓板壓縮性能標準[15],分別對加工完成后樣件進行靜態(tài)拉伸性能測試及壓縮性能測試。拉伸性能及壓縮性能測試樣件尺寸為200 mm×12 mm及140 mm×12 mm,厚度相同,均約為2.7 mm。

使用CMT7504萬能試驗機對加工完成的復(fù)合材料樣件進行拉伸及壓縮性能測試,如圖2a)所示。為防止夾持力不夠?qū)е吕鞎r樣件滑脫,使用復(fù)合材料專用液壓拉伸夾具加持兩端,如圖2b)所示,并在加持部位使用砂紙包裹樣件。壓縮性能測試專用聯(lián)合加載壓縮夾具如圖2c)所示。

圖2 萬能試驗機及夾具

(1)

式中:σt表示拉伸強度;Ft表示試樣破壞時的最大載荷;w表示試樣寬度;b表示試樣厚度。

壓縮強度為

(2)

式中:σc表示拉伸強度;Fc表示試樣破壞時的最大載荷;w表示試樣寬度;b表示試樣厚度。

樣件斷裂破壞后,使用鋸片切割機切割樣件進行制樣,并使用超聲波清洗設(shè)備進行清洗。制樣完成后,使用COXEM EM-30PLUS掃描電子顯微鏡觀測斷口表面形貌。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 銑削加工對拉伸強度的影響

2.1.1 試驗結(jié)果統(tǒng)計

拉伸性能測試失效樣件如圖3所示,在不同參數(shù)下拉伸強度如圖4所示。當主軸轉(zhuǎn)速為9 000 r/min,進給量為0.12 mm/r時拉伸強度達到最大值,為715.61 MPa;當主軸轉(zhuǎn)速為11 000 r/min,進給量為0.15 mm/r的時候拉伸強度最小,為644.49 MPa,比最大值下降了9.94%。本次試驗材料性能離散系數(shù)在1.09%～6.18%之間,試驗結(jié)果在一定范圍內(nèi)波動,與ASTM D3039標準中的結(jié)果無明顯差異,因此可以認為試驗結(jié)果符合要求,并無異常。

圖3 拉伸性能測試失效試樣

圖4 拉伸強度測試結(jié)果

對實驗結(jié)果進行方差分析,分析結(jié)果見表2。由表2可以得知校正決定系數(shù)0.142,復(fù)相關(guān)系數(shù)0.333,說明模型對拉伸強度的擬合情況一般;在0.05的水平下(置信區(qū)間95%),僅改變轉(zhuǎn)速或進給對拉伸強度的影響顯著性不高。

數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)各項功能的基本保證，是確保整個系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。所以，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計非常重要。E-R圖主要針對的是整個體系的培訓(xùn)單位信息、業(yè)務(wù)信息和實施過程中信息監(jiān)管的設(shè)計。詳細的操作過程如圖2所示。

表2 拉伸強度方差分析

在圖4中可見,改變加工參數(shù),樣件拉伸強度的改變規(guī)律性較小,測試結(jié)果整體呈現(xiàn)波動性變化。以5 MPa為間距,統(tǒng)計25個加工參數(shù)下125次拉伸試驗結(jié)果強度出現(xiàn)次數(shù)分布圖如圖5所示,分布曲線表明其分布近似于均值在685～690 MPa的正態(tài)分布。

圖5 拉伸強度分布計數(shù)圖

其中,出現(xiàn)次數(shù)較高的685～690 MPa數(shù)據(jù)來源于多個加工參數(shù),在3000 r/min的主軸轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)5次,5 000 r/min的主軸轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)6次,7 000 r/min的主軸轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)4次,9 000 r/min的主軸轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)4次,11 000 r/min的主軸轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)2次。因此可以確定,加工參數(shù)的改變并不會對碳纖維復(fù)合材料層合板的拉伸性能造成影響,試驗中拉伸性能的不同來源于試驗的偶然性。

2.1.2 拉伸樣件斷口形貌分析

加工參數(shù)的改變,可以認為僅會對加工區(qū)域附近的材料造成影響。以高轉(zhuǎn)速高進給(11 000 r/min、0.21 mm/r)拉伸斷口形貌為例,斷口表面形貌如圖6所示。從圖6b)可以看出,逆纖維方向切削引入的表面凹坑等加工損傷,在材料受到拉伸載荷時,易造成材料內(nèi)部缺陷,并最終失效斷裂,因此在部分樣件斷口形貌上可以清晰地看到斷裂處會靠近加工損傷區(qū)域。然而,碳纖維復(fù)合材料存在纖維-基體界面,能夠在一定程度上限制裂紋的延展[16],這在一定程度上弱化了因加工損傷引起材料拉伸斷裂強度變化的效果。

圖6 拉伸斷口圖

在試樣中心區(qū)域發(fā)現(xiàn)存在較短的斷裂纖維,而在加工區(qū)域附近卻不存在這種現(xiàn)象。碳纖維復(fù)合材料在受到外部載荷時,這些載荷通過界面?zhèn)鬟f給增強纖維,樹脂基體與增強纖維的模量不同導(dǎo)致兩者應(yīng)變大小不一致。若界面結(jié)合強度較高,當載荷達到纖維斷裂強度時,纖維在基體內(nèi)斷裂時呈多段斷裂,平均斷裂長度較短;但是當界面強度較弱時,界面會出現(xiàn)“脫結(jié)合”現(xiàn)象,載荷通過界面摩擦應(yīng)力傳遞[17],最終纖維斷裂長度會增大。從圖6中可以看出,在與拉伸載荷方向夾角為45°層內(nèi),加工區(qū)域附近纖維平均斷裂長度較試樣中心區(qū)域(可以認為加工并不會影響這些區(qū)域)有增加的趨勢;同時在與拉伸方向夾角為0層內(nèi),在加工區(qū)域附近有一定的因為某根纖維拔出而留下的圓孔。這些現(xiàn)象表明該參數(shù)下加工區(qū)域附近樹脂對纖維的把持力已經(jīng)下降,傳遞給纖維的載荷有一定的減少,加工對材料基體及界面已經(jīng)造成影響。然而,碳纖維復(fù)合材料在承受拉伸載荷時主要靠纖維承載,從統(tǒng)計結(jié)果來看不同參數(shù)的銑削加工對材料拉伸斷裂強度幾乎沒有影響,所選擇參數(shù)造成的界面把持力的降低并不足以改變其斷裂失效結(jié)果,載荷仍然較好地傳遞給了纖維。

2.2 銑削加工對壓縮強度的影響

2.2.1 試驗結(jié)果統(tǒng)計

按照選定的加工參數(shù)對樣件加工,并對樣件進行壓縮性能測試,測試失效樣件如圖7所示,在不同參數(shù)下拉伸強度如圖8所示。

圖7 壓縮性能測試失效試樣

圖8 壓縮強度測試統(tǒng)計結(jié)果

當主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、進給量為0.15 mm/r時,壓縮強度達到最大值640 MPa;主軸轉(zhuǎn)速為11 000 r/min、進給量為0.15 mm/r時,壓縮強度有最小值503.8 MPa,相較于最大值,壓縮強度下降了21.28%。本次試驗材料性能離散系數(shù)在1.44%～11.10%之間,試驗結(jié)果在一定范圍內(nèi)波動,與ASTM D6641標準中的結(jié)果無明顯差異,因此可以認為試驗結(jié)果符合要求,并無異常。

對試驗結(jié)果進行方差分析如表3所示。由表3可以得知修正模型P=0.03,表明在不同的主軸旋轉(zhuǎn)速度及進給量的綜合作用下壓縮強度模型有一定的顯著性;校正決定系數(shù)0.369,復(fù)相關(guān)系數(shù)0.317,說明模型對拉伸強度的擬合情況一般;但0.05的水平下(置信區(qū)間95%),進給量對壓縮強度影響較小,主軸旋轉(zhuǎn)速度對壓縮強度有一定的影響。

表3 壓縮強度方差分析

雖然壓縮強度的統(tǒng)計結(jié)果也有一定的波動性,但是從圖8中可以看出,除了較低進給量(0.09 mm/r與0.12 mm/r)下壓縮破壞強度隨主軸轉(zhuǎn)速的改變波動變化,其余進給量條件下壓縮破壞強度整體均呈下降趨勢。

2.1.2 壓縮樣件斷口形貌分析

從壓縮強度的統(tǒng)計結(jié)果可以看出,隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高,材料的壓縮性能整體呈下降趨勢,而進給量的改變幾乎不會對結(jié)果有影響。分別選擇低轉(zhuǎn)速(3 000 r/min)與高轉(zhuǎn)速(11 000 r/min)下壓縮失效斷口進行觀測結(jié)果如圖9和圖10所示。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),不同參數(shù)下不同位置的壓縮斷口表面都可以看到基體沿厚度方向拉拔、纖維斷裂及纖維表面殘留樹脂的現(xiàn)象,這是由于材料受到壓縮載荷產(chǎn)生橫向應(yīng)變,內(nèi)部纖維與基體受橫向剪切應(yīng)力導(dǎo)致的。然而,不同加工參數(shù)下斷口表面有一定區(qū)別:低轉(zhuǎn)速下加工區(qū)域斷口表面與試樣中心區(qū)域相似,壓縮斷裂后表面殘留大量不規(guī)則樹脂,而高轉(zhuǎn)速下加工區(qū)域附近殘留樹脂較少,出現(xiàn)大量的層間分層,并且還發(fā)現(xiàn)較大的樹脂變形?？梢哉J為在高轉(zhuǎn)速下樣件加工時切削區(qū)域溫度急劇升高,甚至超過了樹脂基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,因此導(dǎo)致材料中樹脂韌性略微提高[18],高轉(zhuǎn)速加工樣件在進行壓縮試驗時,樹脂在受纖維拉拔時呈人字形延性斷裂面,還有部分基體已經(jīng)從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài),其模量急劇下降、變軟,例如在圖9b)中左側(cè)箭頭所指處樹脂變形嚴重,最終導(dǎo)致了較高切削溫度下壓縮斷裂強度的下降。

圖9 高轉(zhuǎn)速加工樣件壓縮斷口圖

圖10 低轉(zhuǎn)速加工樣件壓縮斷口圖

當樣件加工時,主軸轉(zhuǎn)速及進給量的改變都會影響切削溫度[19]?？梢哉J為在本次試驗中,當進給量較小時,主軸轉(zhuǎn)速的改變導(dǎo)致的切削溫度的變化對于材料的影響較小;而當進給量到達0.15 mm/r時,隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高導(dǎo)致加工時切削溫度過高,材料內(nèi)基體及界面性能的變化導(dǎo)致了壓縮強度的降低;而當轉(zhuǎn)速固定時,進給量的改變對于切削溫度的改變并不明顯,因此在表3的方差分析中進給量的改變對于壓縮強度的影響并不顯著。同時,由于碳纖維復(fù)合材料壓縮失效機理的復(fù)雜性,其壓縮性能測試分散性較大[12-13,21],所以數(shù)據(jù)整體有一定波動性。

3 結(jié)論

本文通過銑削方式加工復(fù)合材料拉伸性能及壓縮性能試樣,統(tǒng)計了不同加工參數(shù)下材料的拉伸及壓縮斷裂強度,并分析了部分試驗樣件的斷口形貌,最終試驗結(jié)論如下:

1) 本次試驗中,通過改變加工參數(shù),加工出的試樣有不同的拉伸及壓縮性能,其中拉伸破壞強度在644.49～715.67 MPa之間變化,壓縮破壞強度在503.75～640 MPa之間變化。

2) 雖然加工會對材料造成影響,但加工參數(shù)的改變并不會對材料的拉伸性能造成影響,拉伸斷裂的強度改變是由于材料間性能的分散性及進行拉伸試驗時裝夾帶來的偶然性誤差導(dǎo)致。

3) 因為加工對碳纖維復(fù)合材料基體的熱損傷,降低了材料的壓縮強度,并且進給量超過0.15 mm/r時,材料的壓縮強度隨著轉(zhuǎn)速的提高呈下降趨勢。