碳纖維增強聚乙烯復合材料切削加工性能分析

(1.鄭州商業(yè)技師學院,河南 鄭州 450121 ; 2.河南省化工研究所有限責任公司，河南 鄭州 450052)

0 前言

為了進一步提高聚乙烯的機械力學強度，可以采用碳纖維作為增強體制備得到具備高強度的輕型復合材料CFRP，并且可以根據(jù)實際使用要求進行性能優(yōu)化設計，目前已被廣泛應用于建筑排水管領域[1-2]。通常情況下都是選擇整理加工的方式來制造大型復合材料產品，而對于某些特定的結構依然需對其實施制孔與切邊處理才能實現(xiàn)相互連接與安裝的過程[3]。由于CFRP是一種加工難度很大的材料，從宏觀層面上表現(xiàn)出非均質以及各向異性特征，同時包含了聚乙烯、纖維、界面多相結構，表現(xiàn)出與金屬具有很大差異性的加工性能，在加工過程中較易產生分層與開裂的現(xiàn)象[4]。

為獲得尺寸精度更高的CFRP制孔結構，有學者針對復合材料在鉆削加工過程中的各項影響因素進行了深入分析，對各項加工參數(shù)進行了優(yōu)化，并重新設計了刀具結構，使鉆削加工質量獲得顯著提升[5-7]。上述研究內容都對復合材料的加工發(fā)揮了重要的引導作用，從本質上看對加工期間的溫度、載荷等參數(shù)造成了影響，為最終降低CFRP在加工階段的損傷程度創(chuàng)造了可靠條件。當溫度改變后，CFRP的特性也會發(fā)生明顯變化，隨著溫度的升高，聚乙烯會出現(xiàn)軟化的結果，引起力學強度的明顯下降，而處于較低溫度的環(huán)境中，聚乙烯將會表現(xiàn)出明顯的脆性，因此在不同的溫度下復合材料具有明顯不同的加工特性，由此引起加工質量的較大波動[8-10]。到目前為止，已有許多科研人員對CFRP在不同溫度下的切削特性開展了大量分析。張鴻宇等[11]將CFRP設定在不同的初始溫度下，再對其進行鉆削制孔測試得到制品質量與溫度之間的關系。通過研究發(fā)現(xiàn)，逐漸提高預熱溫度后，引起了軸向力的快速減小，同時產生了更多的出口損傷；隨著預熱溫度升高到玻璃轉化溫度以上時，發(fā)生了損傷程度的大幅提高。在高溫環(huán)境中，聚乙烯逐漸消失只剩下纖維骨架[12]。

根據(jù)以上研究可以可知，當聚乙烯在高溫環(huán)境中發(fā)生軟化或因為低溫表現(xiàn)出明顯脆性時都會改變CFRP切削加工的特性，同時造成損傷程度的明顯提高。此外，在各纖維方向下的CFRP會表現(xiàn)出力學與熱性能的較大差異，關于各纖維方向下的CFRP加工特性與溫度之間的相互作用還沒有形成明確的統(tǒng)一結論。針對以上情況，本文通過控制不同實驗參數(shù)的方式，利用控溫直角切削測試系統(tǒng)測試了各纖維方向CFRP在設定溫度下的切削特性，為設計新的CFRP切削條件與后續(xù)新工藝的開發(fā)創(chuàng)造了基礎。

1 實驗平臺及材料

本文采用控溫直角切削系統(tǒng)進行切削測試，同時探討了復合材料的切削特性與溫度之間的關系，采用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對切削溫度的精確控制，并完成在線測試切削力與實時調控溫度的過程。為實現(xiàn)一致切削的效果，測試期間將道具安裝在一個固定位置，只控制復合材料進行運動來完成切削加工過程，利用微位移平臺作為CFRP單向層合板的固定結構，利用微位移平臺的不同位置來實現(xiàn)層合板和刀具之間的良好接觸。對實際溫度采用FLIRA40M紅外儀進行了測試。利用9257B測力儀對切削期間的刀具載荷改變進行了測量。為了防止對CFRP加工的時候對周邊環(huán)境造成粉塵污染，通過吸塵器吸取靠近切削區(qū)的碎屑。

采用具有一致鋪設方向的共12層預浸料進行固化熱壓得到3 mm厚的測試樣品，表1給出了各項力學參數(shù)測試結果。以硬質合金機夾刀片作為測試刀具，采用標準刀桿作為安裝結構，控制前角與后角分別為30°與15°。

表1 CFRP單向層合板的力學性能

為深入分析不同溫度下的各切削角CFRP單向板所具備的切削特性，要求其它各項參數(shù)保持恒定的狀態(tài)。根據(jù)目前的相關研究可知，在切深未超過10 μm的情況下，不會對CFRP材料造成明顯損傷，經綜合考慮，本文把切深設定在50 μm，同時控制切削速度為8.2 mm/s，切削方式為直角。

為確保切削區(qū)達到設定溫度，利用紅外溫度儀測定切削區(qū)的實際溫度。當溫度到達設定值后，控制直線電機的運動過程以實現(xiàn)直角切削的過程。本實驗設定溫度下限為0 ℃，溫度上限是90 ℃，波動范圍低于5 ℃。

2 實驗結果與分析

2.1 溫度對力學性能的影響

材料力學性能是指材料在不同環(huán)境下(溫度、介質、濕度)承受各種外加載荷(拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變應力等)時所表現(xiàn)出的力學特征。本文主要考察溫度變化對壓縮強度所產生的影響。溫度對CFRP的力學特性具有明顯影響，圖1給出了溫度對CFRP 筋材試樣壓縮強度保留率的影響。

由圖1可知，提高溫度后，試樣的壓縮強度保留率隨溫度升高而降低，這是由于試樣在承受縱向壓縮載荷時，基本的性能對試樣的壓縮強度有很大的影響。聚乙烯的力學性能會隨著溫度的升高而降低，進而導致試樣抗壓性能減弱。將會引起聚乙烯力學強度與模量的減小，同時CFRP也會發(fā)生機械力學強度與模量的大幅下降。

圖1 溫度對CFRP筋材試樣壓縮強度保留率的影響

2.2 高溫環(huán)境中CFRP的斷裂能及主切削力的變化

在高溫環(huán)境中聚乙烯會達到更高的黏彈性，產生更高的斷裂能，由此引起CFRP斷裂能的增大，CFRP 多向層合板的斷裂能的變化結果見圖2。同時也可以根據(jù)加工階段的切削力改變來判斷CFRP材料的力學特性變化。

圖2 CFRP多向層合板的斷裂能的變化

圖3給出了主切削力在100 ℃溫度環(huán)境下隨時間動態(tài)變化的測量值。

圖3 主切削力在100 ℃隨時間變化曲線

從圖3中可以看到利用10 Hz低通濾波器處理切削力的原始測試數(shù)據(jù)獲得的切削力變化情況。結果顯示，切削力發(fā)生了較明顯的波動。在刀具對工件最初切入的情況下，主切削力快速增大，之后達到一個穩(wěn)定的階段，當?shù)度袕脑嚰l(fā)生脫離時，主切削力表現(xiàn)為大幅減小的現(xiàn)象。

由于溫度對材料力學性能產生的影響，加工時其切削力也會相應產生變化，在纖維和刀具形成垂直切削角的情況下進行測試，試驗結果顯示，切削力隨溫度上升而顯著減小，到達高溫狀態(tài)時切削力相對于低溫狀態(tài)只有10%。產生上述現(xiàn)象的原因是當溫度上升后，聚乙烯表現(xiàn)出明顯的溫變特征，并且此時模量也明顯降低，最終引起切削力的顯著減小。

2.3 溫度對不同切削角下切削損傷的影響

圖4給出了CFRP 已加工表面面下及已加工表面的微觀形貌。

圖4 CFRP 已加工表面面下及已加工表面的微觀形貌

由圖4可以看出，在90°切削角條件下，在切削面下產生了更明顯的開裂損傷，這跟切削力的變化原因一致。形成90°切削角后，聚乙烯達到了更高的溫度，引起力學強度的明顯降低，同時黏結效果減弱，出現(xiàn)纖維偏轉的情況并發(fā)生開裂。在135°的切削角條件下，刀具可以跟CFRP材料尤其是纖維形成更大的接觸面積，降低了接觸力。

形成180°的切削角后，纖維和刀具的切削刃保持相互平行的狀態(tài)，此時的切屑基本來自后刀面擠壓材料與刀刃在軸向上發(fā)生推擠所引起，限制了損傷進一步擴散到面下?？拷邢髅娴膮^(qū)域主要表現(xiàn)為纖維斷裂的特征。從總體上看，損傷程度基本恒定，當溫度上升后表現(xiàn)為略微減小的變化規(guī)律。

3 結論

①隨著溫度升高，CFRP筋材壓縮強度明顯降低，力學性能隨溫度升高而降低。②在刀具對工件最初切入時，主切削力快速增大，之后達到一個穩(wěn)定的階段，當?shù)度袕脑嚰l(fā)生脫離時，主切削力表現(xiàn)為大幅減小。切削力在高溫(100 ℃)時，切削力僅為低溫狀態(tài)的10%。③在90°切削角條件下，在切削面下產生了更明顯的開裂損傷；在135°的切削角條件下，刀具跟CFRP材料尤其是纖維形成更大的接觸面積，降低了接觸力；形成180°的切削角后，纖維和刀具的切削刃保持相互平行的狀態(tài)。損傷程度基本恒定，當溫度上升后表現(xiàn)為略微減小的變化規(guī)律。