機(jī)械用新型碳纖維復(fù)合材料的旋轉(zhuǎn)超聲加工工藝研究

楊 萍

(安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 安陽 455000)

碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)因其高比模量、高比強(qiáng)度、高阻尼能力和低熱膨脹系數(shù)而被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)部件、汽車零部件和農(nóng)業(yè)機(jī)械中。近年來，隨著機(jī)械科技水平含量的不斷提升，CFRP材料也開始逐漸的被應(yīng)用到一些機(jī)械材料的零部件上，由于機(jī)械材料的各個零部件組成較多，在生產(chǎn)加工過程中，需要將復(fù)合材料零件按照其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行組裝并連接到其他結(jié)構(gòu)上，CFRP最常采用孔加工。用鉆頭鉆孔是碳纖維布孔加工最常用的方法。報告的鉆孔工具包括麻花鉆、多面鉆、燭桿鉆和具有修改幾何結(jié)構(gòu)的鉆頭(各種鑿子長度和斜度、間隙、尖端和螺旋角等)。

旋轉(zhuǎn)超聲加工(RUM)是一種較為先進(jìn)的加工工藝，有可能在復(fù)合材料上經(jīng)濟(jì)高效地鉆孔。帶有金屬結(jié)合劑金剛石磨料的旋轉(zhuǎn)鉆芯在軸向上進(jìn)行超聲振動，并以恒定進(jìn)給速度向工件進(jìn)給。冷卻劑被泵到鉆頭中間的孔中，沖洗掉碎片，防止鉆的卡住，并保持冷卻。RUM被用于在不銹鋼、鈦合金、陶瓷和陶瓷復(fù)合材料上鉆孔，但從未在此類CFRP上鉆孔。在本文中，RUM首次用于在這種類型的CFRP上鉆孔。實驗研究了用RUM加工碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的可行性。測量了切屑、切邊、表面粗糙度、刀具磨損和推力。研究了RUM工藝變量(轉(zhuǎn)速、振幅和進(jìn)給速度)對推力和表面粗糙度的影響。

1 旋轉(zhuǎn)超聲加工

碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)因其高比模量、高比強(qiáng)度、高阻尼能力和低熱膨脹系數(shù)而被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)部件、汽車零部件和體育用品中。近年來，隨著機(jī)械科技水平含量的不斷提升，以及對于機(jī)械化程度要求的提高，CFRP材料也開始逐漸的被應(yīng)用到一些機(jī)械材料的零部件上，由于機(jī)械材料的各個零部件組成較多，在機(jī)械生產(chǎn)加工過程中，需要將復(fù)合材料零件按照其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行組裝并連接到其他結(jié)構(gòu)上，CFRP最常采用孔加工。用鉆頭鉆孔是碳纖維布孔加工最常用的方法。報告的鉆孔工具包括麻花鉆、多面鉆、燭桿鉆和具有修改幾何結(jié)構(gòu)的鉆頭(各種鑿子長度和斜度、間隙、尖端和螺旋角等)。

旋轉(zhuǎn)超聲加工(RUM)是一種較為先進(jìn)的加工工藝，有可能在復(fù)合材料上經(jīng)濟(jì)高效地鉆孔。圖1是RUM的示意圖。帶有金屬結(jié)合劑金剛石磨料的旋轉(zhuǎn)鉆芯在軸向上進(jìn)行超聲振動，并以恒定進(jìn)給速度向工件進(jìn)給。冷卻劑被泵到鉆頭中間的孔中，沖洗掉碎片，防止鉆的卡住，并保持冷卻。RUM被用于在不銹鋼、鈦合金、陶瓷和陶瓷復(fù)合材料上鉆孔，但從未在此類CFRP上鉆孔。

圖1 旋轉(zhuǎn)超聲加工(RUM)示意圖

在本文中，RUM首次用于在這種類型的CFRP上鉆孔。實驗研究了用RUM加工碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的可行性。測量了切屑、切邊、表面粗糙度、刀具磨損和推力。研究了RUM工藝變量(轉(zhuǎn)速、振幅和進(jìn)給速度)對推力和表面粗糙度的影響。

2 實驗部分

2.1 實驗工件

本研究采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。試樣尺寸為200 mm×150 mm×16 mm。該復(fù)合材料層壓板由碳纖維(0°和90°兩層正交)和環(huán)氧樹脂制成。纖維體積分?jǐn)?shù)為38%。工件材料特性如表1所示。

表1 工件材料特性

2.2 實驗裝置

實驗是在RUM設(shè)備上進(jìn)行的。實驗裝置如圖2所示。電源將常規(guī)電壓(50 Hz)轉(zhuǎn)換為高頻(20 kHz)電能。位于超聲波主軸中的壓電轉(zhuǎn)換器將高頻電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械運動。放大的運動使附著在主軸上的金剛石刀具沿進(jìn)給方向振動。振動頻率為20 kHz。可以通過改變電源的輸出控制來調(diào)整振幅。

圖2 RUM設(shè)置示意圖

安裝在超聲波主軸頂部的電機(jī)提供刀具的旋轉(zhuǎn)運動，通過調(diào)整控制面板上的電機(jī)速度控制器可以獲得不同的速度。將用于固定試樣的夾具安裝在連接到機(jī)器工作臺的測功機(jī)上。金屬結(jié)合劑金剛石取芯鉆的外徑和內(nèi)徑分別為9.5 mm和7.8 mm。金剛石磨料的網(wǎng)目尺寸為80/100。以1∶20的水稀釋水溶性切削油作為冷卻液。

2.3 加工條件

在實驗中，3個過程變量(振幅、轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度)是不同的。刀具的振幅由超聲波功率控制，超聲功率百分比越大，振幅越大。研究中使用了5種級別的0%、20%、40%、60%和80%超聲波功率，其分別對應(yīng)于0、9、29、50和69 mm的振幅。在初步實驗的基礎(chǔ)上，使用了5個級別1 000、2 000、3 000、4 000和5 000 r/min的轉(zhuǎn)速和8個級別0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8 mm/s的進(jìn)給速度；其他過程變量在調(diào)查中保持不變。對于所有鉆孔測試，超聲波振動的頻率為20 kHz，冷卻劑的流速保持在1.5 L/min。共有16種獨特的實驗條件，在每種情況下進(jìn)行了3次試驗，測試總數(shù)為48次。

3 實驗結(jié)果

3.1 切屑測量

圖3顯示了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂RUM中的典型碎屑。碎屑可分為3種類型：復(fù)合碎屑(與環(huán)氧樹脂粘合的纖維碎片)、環(huán)氧粉末和纖維碎片。碎屑的尺寸小于300 mm，大多數(shù)碎屑是邊緣和形狀不規(guī)則的復(fù)合碎屑，具體如圖3中的碎屑1。

圖3 由碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制成的典型碎屑

由圖3可以看出，在碎屑的表面和邊緣可以觀察到纖維。除了單個復(fù)合碎屑外，還觀察到小的復(fù)合碎屑(如圖3中的碎屑2)、粉末狀細(xì)環(huán)氧樹脂碎片(如圖3中的碎屑3)和游離纖維碎片(如圖3中的碎屑4)。這些碎屑類似于碳纖維增強(qiáng)塑料的車削、鉆孔和銑削。

3.2 邊緣質(zhì)量

圖4顯示了不同加工條件下加工孔的照片。

圖4 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂工件加工孔的觀察

由圖4可以看出，孔入口的邊緣沒有裂縫、纖維脫落或碎屑，說明邊緣條件不受加工條件的影響；但孔出口的邊緣質(zhì)量與孔入口的不同。孔邊上以脆性的方式存在一些裂縫(圖4中的區(qū)域1、2)。開裂發(fā)生在頂部層壓板上2個孔的連接處，所有的孔都是在沒有錐度的情況下加工的(入口的直徑與出口的直徑相同)。所有生產(chǎn)孔之間直徑的變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值)小于1%。

孔出口處鉆孔的邊緣切削是RUM在脆性材料中鉆取高質(zhì)量孔的關(guān)鍵障礙。切削尺寸和切削厚度是評估RUM中孔質(zhì)量的另外2個標(biāo)準(zhǔn)，切屑尺寸和切屑厚度的值越低，意味著孔質(zhì)量越好。

圖5顯示了在數(shù)字顯微鏡下從上到下觀察到的機(jī)加工桿和邊緣碎屑。

圖5 機(jī)加工桿和切屑尺寸的觀察

由圖5可以看出，除邊緣剝落外，桿的圓柱形表面沒有任何纖維拔出或斷裂。邊緣削片由3層組成：第1層由順時針方向的纖維組成(圖5中的區(qū)域1)，從這張照片上只能看到一些纖維。第2層是基體層，具有清晰的脆性斷裂邊緣(圖5中的區(qū)域2)，在這一層上可以觀察到微裂紋；在該層上也可以觀察到一些纖維碎片。第3層由逆時針方向的纖維組成(圖5中的區(qū)域3)；此層從a到b的碎屑尺寸約為600 μm，幾乎是第2層的2倍。

在三維中進(jìn)一步分析邊緣剝落。用顯微鏡制作了邊緣削片的三維形貌圖，具體如圖6所示。通過測量軟件測量三維形貌上的碎屑厚度，通過該軟件，可以在一定的剖面上獲得三維地形上的測量輪廓，并可以測量輪廓上任何一點的高度。測量剖面沿圖5中a到b的方向，并與復(fù)合材料的所有3層相互作用(如圖6中的區(qū)域1、2和3)。由此可以看出，第3層的碎屑厚度為207.9 μm；第2層厚度不均勻，但邊緣較薄，靠近桿厚。然而，與孔尺寸相比，切削尺寸和切削厚度與加工孔半徑和長度的比例分別僅為6.25%和1.89%。

圖6 碎屑厚度的觀察和測量

從圖5和圖6中可以看出，第2層由未經(jīng)研磨工具完全加工的剩余材料組成。使用研磨工具部分去除第2層中的環(huán)氧樹脂基體，直到第3層斷裂；然后將桿從孔中壓出。

3.3 推力

利用測功機(jī)測量了加工過程中沿進(jìn)給速度方向的推力和扭矩。測功機(jī)安裝在工作臺頂部和工件下方，如圖2所示。測功機(jī)發(fā)出的電信號經(jīng)過放大器，然后通過軟件DynoWare顯示并保存在計算機(jī)中。獲取推力和扭矩信號的采樣頻率為10 Hz，在鉆孔的整個過程中，推力和扭矩的典型曲線如圖7和圖8所示。圖7和圖8的加工條件：超聲功率為20%，轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，進(jìn)給速度為0.5 mm/s。

圖7 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂RUM中的典型力曲線

圖8 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂在RUM中的典型扭矩曲線

圖8中的扭矩曲線和圖7中的推力曲線是從相同的鉆井試驗中獲得的。與刀具、工件接觸前后相比，第1階段的扭矩值較小且可忽略不計。扭矩曲線的第1個峰值出現(xiàn)在圖8中推力波動幅度突然下降的同時；這也是第1階段結(jié)束和第2階段開始的標(biāo)志。

3.4 機(jī)加工表面

沿軸線切割鉆孔，在數(shù)字顯微鏡下觀察孔表面。圖9顯示了入口和出口處孔的加工表面，加工條件：超聲功率80%，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進(jìn)給速度0.1 mm/s。

圖9 觀察孔中的機(jī)加工表面

從圖9可知，從入口側(cè)到出口側(cè)，機(jī)加工表面質(zhì)量各不相同。入口側(cè)的孔邊修剪整齊，沒有任何纖維；與纖維相鄰的基質(zhì)材料保持完整，在層壓材料之間觀察到清晰的邊界。然而，在出口處，與孔入口附近的材料相比，層壓材料之間的邊界不清楚，隨著其越來越接近邊界，在出口附近觀察到孔邊緣有一些纖維卷展。

為了解工藝變量對加工表面質(zhì)量的影響，在每個孔進(jìn)給方向的2個位置測量了表面粗糙度：入口附近和出口附近。用表面輪廓儀測量表面粗糙度，測試范圍為4 mm，截止長度為0.8 mm；具體結(jié)果如表2所示。

表2 表面粗糙度實驗結(jié)果(各3次測量)

超聲功率對表面粗糙度的影響如圖10所示。孔入口附近的表面粗糙度較低；超聲功率對入口附近表面粗糙度的影響可以忽略不計。當(dāng)超聲功率為40%時，出口附近的表面最好，出口附近的表面粗糙度變化大于入口附近的表面粗糙度變化。

圖10 超聲功率對表面粗糙度的影響

圖11顯示了轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響。隨著轉(zhuǎn)速的增加表面粗糙度降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于4 000 r/m時，表面粗糙度沒有顯著改善。

圖11 轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響如圖12所示。表面粗糙度隨著進(jìn)給速度的增加而增加；表面粗糙度值之間的差異隨著進(jìn)給速度的增加而增加。

圖12 進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響

由圖10～圖12可以進(jìn)一步說明，入口附近的機(jī)加工表面質(zhì)量優(yōu)于出口附近的機(jī)加工表面質(zhì)量。

3.5 材料去除率(MRR)

RUM中的材料去除率由進(jìn)料速率決定。較高的進(jìn)料速率產(chǎn)生較高的MRR。由于工件厚度為11 mm，因此可以在14 s內(nèi)(進(jìn)給速度為0.8 mm/s)鉆一個通孔，可接受的表面粗糙度R值小于3 mm。在19 s內(nèi)(進(jìn)給速度為0.5mm/s)可以獲得表面粗糙度值小于2mm的更好孔。

3.6 刀具磨損

磨削中的砂輪磨損機(jī)理將有助于研究RUM中的刀具磨損機(jī)理。研究車輪磨損機(jī)理的一種常用方法是用顯微鏡檢查車輪表面。本研究采用了類似的方法。在數(shù)字顯微鏡下觀察工具的端面和側(cè)面，放大倍數(shù)為50至200。為了確保每次觀察到的刀具表面面積相同，使用了一個專用夾具來固定刀具。

鉆30個孔后，刀具側(cè)面的金剛石顆粒外觀沒有明顯差異。這意味著刀具側(cè)面的金剛石顆粒磨損非常小。然而，端面金剛石顆粒的磨損是明顯的。

圖13顯示了鉆30個孔之前和之后端面(同一位置)上的工具地形圖。在金剛石顆粒上觀察到磨損。顆粒1和2上的鋒利切削刃磨損明顯。在整個刀具端面上未觀察到磨損平面。

圖13 金剛石顆粒在刀具端面的磨損

在刀具端面上發(fā)現(xiàn)顆粒被拔出。圖14顯示了在鉆30個孔之前和之后端面(在同一位置)上的工具地形圖。可以看出，圖中標(biāo)記的鉆石顆粒是從金屬結(jié)合劑中拔出的。在刀具端面上形成了一個孔。此外，在鉆孔測試后，只取出了一顆顆粒。與其他磨粒的磨損條件相比，很明顯，磨粒在完成其有效工作壽命之前過早地被拔出。

圖14 刀具端面上拔出的顆粒

在圖14中，右圖中沒有可見顆粒(鉆孔試驗后)。與鉆孔前相比，鉆孔后金屬結(jié)合面上的凹槽更深，金屬結(jié)合面更明亮、更平整。這表明，在加工過程中，金屬結(jié)合劑磨損。

每次鉆井測試后，還將工具從RUM機(jī)器上取下，以測量工具長度和工具重量損失。重量是用天平測量的。工具重量損失和鉆孔數(shù)量之間的關(guān)系如圖15所示?？梢钥闯?，大多數(shù)重量損失(小于5 mg)發(fā)生在前5個鉆孔時。在鉆30個孔之前和之后，工具長度的差異可以忽略不計(小于1 mm)。隨著鉆孔數(shù)量的增加，刀具重量損失略有增加。

圖15 刀具重量損失和鉆孔數(shù)量之間的關(guān)系

4 結(jié)語

本研究對機(jī)械用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的RUM進(jìn)行了實驗研究。RUM可以用來在碳纖維樹脂復(fù)合材料上鉆孔。鉆孔時沒有纖維拔出和任何錐度。碎屑大小約為600 μm，碎屑厚度約為200 μm。所有生產(chǎn)孔之間的直徑變異系數(shù)小于1%。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂RUM中的碎屑可分為3種類型：復(fù)合碎屑(與環(huán)氧樹脂粘合的纖維碎片)、環(huán)氧粉末和纖維碎片。碎屑的尺寸小于300 μm。加工表面粗糙度與推力有關(guān)。較高的轉(zhuǎn)速和較低的進(jìn)給速度會產(chǎn)生較低的推力和較低的表面粗糙度。復(fù)合材料在加工過程中的變形導(dǎo)致推力波動，并且在同一孔中產(chǎn)生更粗糙的表面。獲得了小于2μm的加工表面粗糙度。端面刀具磨損比側(cè)面刀具磨損嚴(yán)重。鉆孔試驗中未發(fā)現(xiàn)顆粒斷裂。磨粒脫落、金屬粘結(jié)磨損和磨粒磨損是導(dǎo)致RUM工具總質(zhì)量損失的原因。