碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能試樣的加工研究

上海特一絲路車輛裝備有限公司 上海 201613

1 研究背景

碳纖維復(fù)合材料是一種由碳纖維和增強(qiáng)樹脂復(fù)合而成的新型材料,具有比剛度和比強(qiáng)度高的特性,以及耐腐蝕、耐疲勞等性能,可以替代部分常規(guī)金屬材料。至今,航空航天行業(yè)越來越多地采用碳纖維復(fù)合材料,當(dāng)今主流的民用客機(jī)，例如空客A350、波音787，復(fù)合材料比例達(dá)到了50%以上，空客A320機(jī)型達(dá)到46%,中國商飛新研制的C919機(jī)型達(dá)到30%。

碳纖維復(fù)合材料屬于典型的各向異性材料,在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。這決定了在材料研發(fā)、工藝驗(yàn)證、工程應(yīng)用等階段都需要進(jìn)行大量的性能測定與評(píng)定[1]，這一工作稱之為性能表征。性能表征在復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的研制、生產(chǎn)中有重要作用[2],貫穿于材料篩選、材料取證、材料驗(yàn)收、材料等同性和結(jié)構(gòu)證實(shí)等過程中。

性能表征需要通過測試獲得數(shù)據(jù),因此需要制備和加工大批量試樣。這些試樣具有尺寸小、精度高、數(shù)量多等特點(diǎn),高質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、高效率地完成對試片的加工成為實(shí)際需求。碳纖維復(fù)合材料制件常用的加工方法有車削、銑削、鉆孔、磨削,以及螺旋銑孔、超聲振動(dòng)、電火花、水射流等加工方法。傳統(tǒng)的車削或銑削加工方式需要強(qiáng)度高、耐磨損的刀具材料和涂層技術(shù),對切削加工中刀具的切削質(zhì)量、性能、使用壽命及控制成本提出了更高的要求[3-4]。易出現(xiàn)的加工缺陷主要包括表面分層、表面凹陷、表面微裂紋、纖維脫粘及熱損傷等[5],且主要受纖維切削角和刀具刃口鋒利程度影響。超聲振動(dòng)加工是使刀具以一定頻率沿切削方向高速振動(dòng)進(jìn)行切削的特種加工技術(shù),具有切削行程短、切削量均勻、散熱條件好、切屑容易排除、刀具磨損小等優(yōu)點(diǎn)[6],加工表面可以在較低切削速度下獲得良好的表面粗糙度，其研究和應(yīng)用多集中于孔的加工。螺旋銑加工方式是對傳統(tǒng)銑削加工方式的優(yōu)化,通過螺旋進(jìn)給的方式進(jìn)行銑削加工，在大直徑的孔加工中易實(shí)現(xiàn),具有一定的優(yōu)勢,可獲得良好的加工質(zhì)量,并能提高加工效率[7]。電火花加工方式利用放電時(shí)產(chǎn)生的局部高溫、高壓蝕除材料，達(dá)到加工的效果[8]。電火花加工多用于金屬材料的加工,其放電時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)對試片的增強(qiáng)體產(chǎn)生燒灼,影響試樣局部物理和力學(xué)性能。高壓水射流加工以水為載體,通過增壓設(shè)備和特定噴嘴射出后,形成具有較高能量的射流[9]。高壓水射流加工是冷態(tài)切割,產(chǎn)生熱量低,對工件性能影響小，還具有可加工的材料范圍廣、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在加工精度低、隨加工深度增大易出現(xiàn)切縫質(zhì)量不均勻等現(xiàn)象。

筆者綜合研究以上碳纖維復(fù)合材料加工方法的優(yōu)缺點(diǎn),以碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能試樣為研究對象,提出一種磨削加工方法。分析磨削加工的原理、工藝路線,開發(fā)了一種專用設(shè)備，并通過壓縮極限強(qiáng)度試樣加工進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，從加工質(zhì)量和效率方面與傳統(tǒng)數(shù)控銑削加工進(jìn)行比較[10]。

2 試樣加工工藝分析

2.1 加工要求

民用飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料常用的力學(xué)性能表征測試項(xiàng)目及其標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 碳纖維復(fù)合材料常用力學(xué)性能表征測試項(xiàng)目

加工要求嚴(yán)、尺寸小、數(shù)量和種類多是碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能試樣的特點(diǎn)。

以壓縮極限強(qiáng)度試樣為例,其尺寸和精度要求如圖1所示。

從圖1中可以看出，該試樣除了尺寸精度要求外,對四個(gè)側(cè)面的平行度和垂直度都有較高的要求。

除尺寸、形位公差要求外,碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能試樣還有一些隱性的要求。碳纖維復(fù)合材料若表面劈裂,在測試過程中會(huì)引起應(yīng)力集中,造成不正常的破壞模型。由于碳纖維復(fù)合材料的增強(qiáng)體一般為樹脂,耐高溫性能差,因此要避免加工過程中產(chǎn)生過多的熱量對試樣性能產(chǎn)生影響。

2.2 加工工藝路線

加工工藝路線如圖2所示。

(1) 粗加工。采用鋸床設(shè)備,將固化成形后的碳纖維復(fù)合材料大板裁切成單個(gè)試樣,每邊留取0.3～0.8 mm的余量。

▲圖1 壓縮極限強(qiáng)度試樣▲圖2 加工工藝路線

(2) 基準(zhǔn)面A加工。采用磨削加工設(shè)備，加工出基準(zhǔn)面A。

(3) 基準(zhǔn)面C加工。采用磨削加工設(shè)備，加工出與A面垂直的基準(zhǔn)面C。

(4) 平行A面加工。采用磨削加工設(shè)備對A面的平行面加工至最終尺寸。

(5) 平行C面加工。采用磨削加工設(shè)備對C面的平行面加工至最終尺寸。

2.3 加工工藝裝備

磨削加工的原理為利用高速旋轉(zhuǎn)砂輪與工件材料之間高速往復(fù)的運(yùn)動(dòng),將工件材料余量去除。砂輪由磨粒和粘接劑組成,起到切削作用的主要是砂輪磨粒,與工件之間產(chǎn)生的磨削作用分為滑擦、刻劃和切削三個(gè)階段。磨削加工如圖3所示。

▲圖3 磨削加工

磨削加工具有五個(gè)方面的特點(diǎn)。

(1) 相對于銑削加工精度高,表面質(zhì)量好?？梢垣@得IT5級(jí)的加工精度和0.01 μm的表面粗糙度Ra值。

(2) 自銳性。砂輪經(jīng)過長時(shí)間磨損變鈍后會(huì)破碎,產(chǎn)生新的棱角,或者直接脫落，露出新的有棱角的磨粒?；谶@一特點(diǎn)，不用更換砂輪即可繼續(xù)對工件進(jìn)行加工。

(3) 適用于對高硬度材料工件進(jìn)行加工，如鑄鐵、硬質(zhì)合金、陶瓷、合金鋼等。

(4) 加工時(shí)產(chǎn)生大量熱量,不易散發(fā),導(dǎo)致砂輪和工件溫度升高,可能會(huì)影響工件的物理和化學(xué)性能。

(5) 由于砂輪與工件接觸面大,加工過程中背向力大，傳遞到加工對象、設(shè)備及工裝夾具上,引起彈性變形,最終可能影響加工精度。

結(jié)合碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能試樣的加工要求及磨削加工工藝特點(diǎn),筆者開發(fā)了一種磨削加工專用設(shè)備,如圖4所示。

▲圖4 磨削加工專用設(shè)備

該設(shè)備由框架、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸、可調(diào)擋板、導(dǎo)軌和調(diào)節(jié)手輪等部分組成，工作原理如下：由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸,砂輪與傳動(dòng)軸固定在一起同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；調(diào)節(jié)手輪平臺(tái)可以沿著導(dǎo)軌進(jìn)行X向往復(fù)運(yùn)動(dòng),將待加工的試樣固定在調(diào)節(jié)手輪的平臺(tái)上；旋轉(zhuǎn)手輪可進(jìn)行Y向往復(fù)運(yùn)動(dòng),精確調(diào)整試樣與砂輪之間的距離,控制試樣加工的寬度尺寸。

該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單緊湊,臺(tái)面尺寸適中，與試樣加工尺寸相適應(yīng),轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，加工精度高,設(shè)備造價(jià)成本低。

3 加工驗(yàn)證

以壓縮極限強(qiáng)度試樣為對象進(jìn)行加工,五片為一組。按照工藝路線先進(jìn)行粗加工,再進(jìn)行磨削精加工。磨削精加工采用的參數(shù)見表2。

在磨削加工過程中,碳纖維復(fù)合材料的樹脂易粘附在砂輪上,長時(shí)間粘附會(huì)削弱砂輪磨粒的鋒利程度,而且會(huì)增大摩擦力,從而產(chǎn)生大量切削熱量,影響加工試樣的表面質(zhì)量，并可能會(huì)灼傷試樣。對此,全程加工應(yīng)采用水冷卻。

表2 磨削精加工參數(shù)

加工后的試樣表面粗糙度Ra達(dá)到0.8 μm，表面沒有出現(xiàn)劈裂分層。

磨削加工后的試樣如圖5所示。

▲圖5 磨削加工后試樣

對磨削加工與數(shù)控銑削加工的效果進(jìn)行對比，見表3。

表3 磨削與銑削加工對比

由表3可見,對碳纖維復(fù)合材料性能試樣進(jìn)行加工,磨削加工的試樣表面粗糙度和精度比銑削加工好,設(shè)備一次性投入成本降低90%,刀具成本降低2/3,經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢明顯。

4 結(jié)束語

碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛,力學(xué)性能表征也日趨頻繁和標(biāo)準(zhǔn)化。碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能試樣具有尺寸小、精度高、種類多的特點(diǎn)，采用磨削工藝和設(shè)備進(jìn)行加工,方法可行。加工試樣表面質(zhì)量高，尺寸精度高，設(shè)備投入成本低，綜合成本低。降低加工過程中樹脂對砂輪的粘附,提高裝夾效率，是需要進(jìn)一步研究的方向。