SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲旋轉(zhuǎn)超聲孔加工軸向力與制孔質(zhì)量研究

董香龍，鄭雷，韋文東，呂冬明，朱卓志，徐蘇柏，秦鵬

(1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.機(jī)械工業(yè)教育發(fā)展中心，北京 100055)

0 引言

工程陶瓷以其高硬度、高壓縮強(qiáng)度和低密度的性能被廣泛用作特種車輛防護(hù)裝甲，但存在塑性差、易破碎、抗多發(fā)打擊能力弱等不足[1]，為提高其韌性和可靠性，科研人員在硬質(zhì)陶瓷材料中引入高性能軟質(zhì)相，制備出軟、硬質(zhì)疊層復(fù)合構(gòu)件，大大提高了陶瓷材料的斷裂韌性[2]。相比于Al2O3陶瓷，SiC陶瓷的硬度和彈性模量更高[3]，抵抗磨粒切削的能力更強(qiáng)，因此SiC/玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)疊層復(fù)合裝甲兼具高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、高黏性等特點，可以更好地滿足裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)輕量化、高防護(hù)性能的要求，該疊層復(fù)合裝甲不僅在坦克裝甲防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而且在航空航天、航海、大型設(shè)備的關(guān)鍵部位防護(hù)和士兵身體防護(hù)上得以應(yīng)用。

為充分發(fā)揮工程陶瓷的防彈優(yōu)勢，多將其作為防護(hù)面板；纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(FRP)因其足夠的剛度和彎曲模量常作為支撐背板，通過樹脂粘結(jié)制成陶瓷/FRP疊層復(fù)合裝甲[3-5]。通常情況下，疊層復(fù)合裝甲在成型過程中無法準(zhǔn)確預(yù)留出各種連接孔，與其他零件連接裝配時仍需對其進(jìn)行二次機(jī)械加工，因此孔加工是疊層復(fù)合裝甲構(gòu)件必不可少的加工需求之一[3，6]。工程陶瓷和FRP均為典型的難加工材料，孔加工時出口區(qū)域常產(chǎn)生陶瓷崩邊、纖維撕裂及層間分層等損傷[7]，疊層構(gòu)件復(fù)合成型后孔加工更為困難，嚴(yán)重制約了陶瓷/FRP疊層復(fù)合裝甲構(gòu)件的大規(guī)模應(yīng)用。

目前，關(guān)于陶瓷/FRP疊層復(fù)合裝甲的孔加工技術(shù)鮮有報道，僅有Zheng等[8]、張輝[9]采用金剛石套料鉆對Al2O3/GFRP疊層復(fù)合裝甲進(jìn)行了恒壓或手動斷續(xù)進(jìn)給制孔實驗，研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)鉆削孔加工時，單孔加工時間不確定、料芯堵塞套料鉆，嚴(yán)重時無法落料等，且出口分層、撕裂、陶瓷崩邊現(xiàn)象非常明顯，嚴(yán)重制約了連續(xù)孔加工。此外，Zheng等[7]采用低頻軸向振動輔助加工對Al2O3/GFRP疊層復(fù)合裝甲和SiC裝甲陶瓷進(jìn)行了孔加工實驗研究，結(jié)果表明，低頻軸向振動改善了Al2O3/GFRP疊層裝甲落料堵塞的情況，實現(xiàn)了恒速連續(xù)孔加工，加工質(zhì)量和鉆頭壽命較為理想，而低頻振動對SiC裝甲陶瓷的制孔質(zhì)量并不理想，SiC陶瓷出口處仍存在嚴(yán)重的崩邊、裂紋和料芯堵塞等現(xiàn)象。

值得關(guān)注的是，有學(xué)者利用旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助鉆削技術(shù)在FRP/金屬疊層構(gòu)件的孔加工領(lǐng)域取得了顯著效果[10-12]。Cong等[10]采用旋轉(zhuǎn)超聲輔助鉆削技術(shù)對碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料(CFRP)/Ti6Al4V進(jìn)行了孔加工實驗研究，旋轉(zhuǎn)超聲輔助制孔時軸向切削力和表面粗糙度明顯降低，Ti6Al4V出口毛刺和CFRP分層現(xiàn)象得到顯著改善，刀具壽命明顯提高。Onawumi等[11]采用麻花鉆對CFRP/Ti6Al4V的超聲振動輔助鉆削實驗表明，超聲振動輔助鉆削顯著降低了軸向力、提高了孔徑精度，同時出口毛刺高度降低約50%。Wang等[12]對陶瓷基復(fù)合材料(C/SiC)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助套孔加工技術(shù)研究，通過有限元軟件計算扭轉(zhuǎn)和縱向振動的幅值比，分析了不同振動加工條件下的材料去除機(jī)理。劉書暖等[13]對CFRP/Ti疊層構(gòu)件鉆孔過程中CFRP過渡域表面粗糙度進(jìn)行了研究，為CFRP/Ti疊層鉆孔表面質(zhì)量的評價提供了理論基礎(chǔ)和方法。

由此可見，旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工可以有效提高制孔質(zhì)量，減輕鉆頭磨損，是FRP/金屬疊層構(gòu)件孔加工的有效方法，但在陶瓷/FRP疊層復(fù)合裝甲的孔加工領(lǐng)域鮮有應(yīng)用報道。

本文以SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲為研究對象，采用新型燒結(jié)/釬焊復(fù)合工藝薄壁金剛石套料鉆，結(jié)合旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助加工技術(shù)，建立單顆磨粒的運動學(xué)模型，分析旋轉(zhuǎn)超聲振動套磨制孔技術(shù)的斷續(xù)切削特性，對其加工機(jī)理和工藝效果進(jìn)行理論和實驗研究，以期為SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲的高效低損傷連續(xù)孔加工提供理論參考。

1 旋轉(zhuǎn)超聲振動套磨加工特性分析

1.1 單顆磨粒運動軌跡分析

旋轉(zhuǎn)超聲振動套磨加工(RUVCD)與傳統(tǒng)套磨加工方式(CCD)相比，套料鉆除隨主軸旋轉(zhuǎn)和軸向恒定進(jìn)給外，在其進(jìn)給方向上還施加了高頻小幅振動[14]，其鉆削模型如圖1所示。

以套料鉆端面上任一金剛石磨粒為研究對象，磨粒出刃后與SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲首次接觸記為起始時間，建立圖1所示工件坐標(biāo)系，則該磨粒的運動軌跡方程為

(1)

式中：θ=2πnt/60(rad)，n為轉(zhuǎn)速(r/min)，t為加工時間(s)；SRUVCD(θ)為該磨粒在空間的位移矢量，Sx、Sy、Sz分別為該磨粒位移矢量在3個坐標(biāo)軸方向的分量；R為磨粒到鉆頭中心線的距離(mm)；fr為進(jìn)給速度(mm/r)；A為超聲振幅(μm)；wf為頻率-轉(zhuǎn)速比，wf=60f/n，f為超聲頻率(Hz)。利用MATLAB軟件獲得該端面磨粒的運動軌跡示意圖，如圖2所示。

由此可見超聲振動輔助加工過程中，磨粒的運動軌跡為一條疊加了小幅高頻正弦振動的三維螺旋曲線。超聲高頻振動使得磨粒與工件并不一直處于接觸狀態(tài)，在每個振動周期T內(nèi)，磨粒參與加工的有效磨削時間為t1，磨粒與工件處處于分離狀態(tài)的時間為t2，如圖3所示。工件與磨粒周期性地接觸分離，不僅改善了鉆削區(qū)域的加工環(huán)境，避免了切削熱的堆積和磨屑粘附，而且顯著降低了切削抗力，從而減緩了金剛石鉆頭的磨損速度，提高了其壽命。

1.2 單顆磨粒運動學(xué)特性分析

超聲振動的引入不僅改變了相對運動關(guān)系，也使磨粒的速度和加速度產(chǎn)生了相應(yīng)變化，其磨粒的速度方程為

(2)

式中：vx、vy、vz分別為速度矢量v在3個坐標(biāo)軸方向的分量。

磨粒的加速度方程為

(3)

式中：ax、ay、az方分別為加速度矢量a在3個坐標(biāo)軸方向的分量。

根據(jù)單顆磨粒的運動學(xué)特性，利用MATLAB軟件對其進(jìn)行數(shù)值仿真，得到該端面磨粒的軸向位移、速度和加速度曲線，如圖4所示。其中超聲振動頻率f=35 kHz，振幅A=2.5 μm，機(jī)床轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，wf=1 050，進(jìn)給速度fr=0.004 5 mm/r。

由圖4(a)可以看出，套料鉆端面上金剛石磨粒的運動軌跡沿圓周方向展開后，該磨粒周期性地參與磨削加工，即磨粒與工件時而接觸時而分離，后一轉(zhuǎn)時磨粒會切除掉前一轉(zhuǎn)的加工面，盡管相位差為0°，由于振動加工切屑厚度會存在周期性的薄弱環(huán)節(jié)，形成不完全幾何斷屑[15]?？梢娡ㄟ^改變振幅與進(jìn)給量的關(guān)系、相位差等參數(shù)，可以控制切屑的形態(tài)；超聲輔助加工時磨粒的軸向?qū)崟r速度大小隨切削時間做周期性變化，而傳統(tǒng)套磨加工時金剛石磨粒不具備變速切削特性，如圖4(b)所示；由圖4(c)可見，超聲振動輔助套磨加工時單顆磨粒軸向加速度周期性變化，而傳統(tǒng)套磨加工加速度為0 mm/s2?？梢姼郊拥妮S向超聲振動使得磨粒對工件材料保持極高的沖擊速度和沖擊加速度，使得磨粒與工件周期性地接觸分離，即軸向沖擊力周期性地加載和卸載，當(dāng)加速度值為最大時，磨粒壓入深度也達(dá)到最大，隨后磨粒向上運動，從而防止了磨粒對SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲內(nèi)部造成進(jìn)一步的破壞。

2 試驗方案

SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲套磨加工試驗裝置如圖5所示，超聲振動設(shè)備安裝在上海拓璞五軸聯(lián)動加工中心VMC-C30H主軸上，超聲振動發(fā)生器的輸出頻率范圍為20～40 kHz，經(jīng)調(diào)試振動頻率為35 kHz時，加載工況條件下振幅最為穩(wěn)定，為2.5 μm，故此次套磨制孔加工試驗在該工況下進(jìn)行。

制孔試驗過程中，將瑞士Kistler 9272型測力儀固定在機(jī)床工作臺上，用于測量鉆削軸向力，并在其上方安置夾具緊固SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲，通過電荷放大器將切削力信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，利用DynoWare分析測試軟件對其進(jìn)行實時監(jiān)測，并用美國FEI公司Nova NanoSEM 450型掃描電子顯微鏡觀察疊層界面處孔壁的微觀形貌，試驗參數(shù)如表1所示。

表1 試驗參數(shù)設(shè)計

試驗所用的SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲由中國兵器工業(yè)集團(tuán)第53研究所提供，示意圖如圖6所示，自上而下分別為：GFRP止裂層(也稱防崩層)、SiC陶瓷防護(hù)面板、GFRP防護(hù)背板(主要作用為延遲陶瓷面板的破碎時間，吸收彈丸的殘余動能)，其主要性能指標(biāo)如表2所示。

表2 SiC與GFRP材料力學(xué)性能

鉆頭采用自制的新型燒結(jié)/釬焊復(fù)合薄壁金剛石套料鉆，如圖7所示。鉆頭外徑為8 mm，壁厚0.4 mm±0.1 mm。鉆頭工作部鑲嵌金剛石的品級為SMD(高強(qiáng)度金剛石，晶形完整、抗壓及抗沖擊強(qiáng)度高、耐磨性好)，粒度分別為70/80目、80/100目和100/120目，且工作層中要求此3種粒度金剛石的顆粒數(shù)基本一致，即按1∶1∶1的比例混合。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 軸向力分析

SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲制孔過程中軸向力變化如圖8所示，以主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min、進(jìn)給速度 9 mm/min試驗參數(shù)為例，圖8(a)為常規(guī)鉆削加工過程軸向力變化圖，圖8(b)為超聲振動鉆削加工軸向力變化圖。從圖8(a)、圖8(b)中可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)鉆削加工和超聲振動鉆削加工時，軸向力在疊層裝甲界面結(jié)合處存在3次突變。其中，第Ⅰ次突變?yōu)轫攲覩FRP鉆磨加工進(jìn)程結(jié)束后套料鉆開始進(jìn)行SiC陶瓷的制孔；當(dāng)SiC陶瓷加工即將結(jié)束時，SiC陶瓷出口處存在嚴(yán)重的陶瓷崩邊現(xiàn)象，表現(xiàn)為軸向力急劇下降到0 N附近，即圖中第Ⅱ次突變；隨著鉆頭繼續(xù)向下進(jìn)給，崩碎的SiC陶瓷仍舊在疊層復(fù)合裝甲中，繼續(xù)對SiC陶瓷套磨加工，此時軸向力繼續(xù)升高，即圖中第Ⅲ次突變。當(dāng)鉆削到底層背板GFRP層時，常規(guī)鉆削加工下，鑒于GFRP的鉆削力遠(yuǎn)小于SiC的鉆削力，第Ⅲ次突變的軸向力開始下降，直到軸向力為0 N時鉆削過程結(jié)束，如圖8(a)所示；圖8(b)所示，超聲振動鉆削底層背板GFRP層時，由于超聲振動的疊加，軸向力表現(xiàn)為波浪式上升后下降，直至降為0 N時鉆削過程結(jié)束。

在主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min、進(jìn)給速度9 mm/min的工藝參數(shù)下，常規(guī)鉆孔加工SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲的最大鉆削力達(dá)550 N，而超聲輔助鉆孔時最大軸向力僅為398 N，軸向力降幅達(dá)27.6%，可見超聲輔助加工在SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲制孔中可以減低軸向力，從而達(dá)到提高制孔質(zhì)量的效果。由圖8(b)可見，鉆削SiC陶瓷時，軸向力反復(fù)升高下降，主要由于超聲彈射、沖擊效應(yīng)加速了陶瓷內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展，使得鉆削更為容易[16-17]。

就試驗中的SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲而言，GFRP所占比例較小，鑒于材料自身特性，GFRP鉆削力遠(yuǎn)小于SiC陶瓷，因此SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲加工過程中最大軸向力發(fā)生在SiC陶瓷鉆削過程中，以SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲加工過程中最大軸向力來分析鉆孔過程中軸向鉆削力的變化趨勢。圖9所示為常規(guī)加工和超聲輔助加工時鉆削軸向力變化趨勢，可見軸向力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大和進(jìn)給速度的減小而降低。

如圖9(a)所示，隨著主軸轉(zhuǎn)速提高，單位時間內(nèi)材料去除量變少，鉆削力呈現(xiàn)減小的趨勢，常規(guī)加工時，隨著轉(zhuǎn)速的提高，軸向力降幅達(dá)33.4%，超聲振動鉆削加工時，隨著主軸轉(zhuǎn)速提高，軸向力降幅達(dá)37.2%；超聲輔助加工時，由于超聲振動的介入，相比于常規(guī)加工，套料鉆工作部附加了高頻振動，瞬時加速度可達(dá)1.2×108mm/s2，端面磨粒對待加工區(qū)域材料進(jìn)行反復(fù)沖擊，加速了工件內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展[16]，從而降低了加工難度，使得超聲振動鉆削時的軸向力相比于常規(guī)加工得以大幅減小，降幅最大達(dá)31.8%；同時，超聲振動的超聲彈射、沖擊效應(yīng)[17]，使磨屑受到動態(tài)沖擊作用，不易粘附在套料鉆上，不僅減緩了套料鉆的磨損，而且延長了套料鉆的壽命。由9(b)可見，隨著套料鉆的進(jìn)給速度增大，單位時間內(nèi)材料的去除量增大，鉆削力呈現(xiàn)增大的趨勢，常規(guī)加工時軸向力增幅達(dá)42.5%，超聲振動鉆削加工時軸向力增幅達(dá)75.9%，軸向力較常規(guī)加工時降幅最大達(dá)30.4%。

3.2 制孔質(zhì)量分析

SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲制孔入孔處對比情況如圖10所示，常規(guī)加工時頂層GFRP纖維板入孔處有微小崩邊，在頂層和底層疊層界面處均出現(xiàn)了較大間隙；超聲振動輔助加工時，宏觀上頂層疊層界面粘結(jié)牢固，僅在底層疊層界面處出現(xiàn)SiC陶瓷與GFRP分離的現(xiàn)象，形成較明顯的間隙。

頂層疊層界面的表面形貌如圖11所示，常規(guī)加工后頂層GFRP中樹脂基體破碎，表面殘留大量短小纖維細(xì)棒(見圖11(a))，且下方SiC陶瓷崩碎嚴(yán)重，出現(xiàn)了陶瓷碎屑堆積、眾多裂紋，疊層界面處粘合失效，在壓力作用下SiC陶瓷極易被壓碎，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，直接影響裝配連接時的連接強(qiáng)度；圖11(b)為超聲輔助加工孔壁剖面，從中可以看出表層纖維斷口平滑整齊，SiC陶瓷整體保持完整、沒有出現(xiàn)大面積碎裂，在疊層界面處有輕微融膠涂覆但涂覆范圍不大，可見鉆削初期超聲輔助加工有利于冷卻液進(jìn)入孔內(nèi)，有效降低鉆削區(qū)域的溫度，避免了粘合劑和樹脂過熱融化；此外，超聲輔助加工中未發(fā)現(xiàn)陶瓷崩碎嚴(yán)重的現(xiàn)象，僅在SiC陶瓷層表面出現(xiàn)微小崩邊現(xiàn)象，大大改善了疊層界面的受力狀態(tài)，從而保證了裝配連接強(qiáng)度。

鉆削末期且SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲處于懸空裝夾狀態(tài)，隨著鉆削深度不斷增大，即使是超聲輔助加工，冷卻液也很難從外部進(jìn)入加工區(qū)域，GFRP在鉆削力作用下發(fā)生彈性退讓，鉆頭無法有效切斷纖維，而且底部沒有支撐，使得工件未完全鉆透，常規(guī)加工和超聲輔助加工均不能完全避免這一現(xiàn)象；相比較而言，常規(guī)加工時背板隆起高度和分層范圍都較大，且多為不規(guī)則隆起，如圖12所示。

由于疊層復(fù)合裝甲出口處環(huán)形缺陷的形狀大小不一，以出口高度對比分析常規(guī)鉆削和超聲輔助鉆削的工藝效果。圖13所示為轉(zhuǎn)速3 000 r/min時進(jìn)給速度對隆起高度的影響。由圖13可見：常規(guī)加工時，隆起高度呈現(xiàn)陡降或陡升的變化趨勢，表明加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差；超聲振動輔助加工時，隆起高度明顯減小，隆起高度變化較為平緩，最大差值僅為0.36 mm，相比常規(guī)鉆削加工，超聲輔助鉆孔出口隆起高度降幅最大達(dá)61.03%。由此可見，旋轉(zhuǎn)超聲振動套磨制孔工藝能夠顯著改善鉆削出孔表面質(zhì)量，降低出孔損傷程度，較好地滿足SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲的制孔需求。

4 結(jié)論

本文采用新型薄壁金剛石套料鉆對其進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助套磨制孔試驗研究，分析了旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助加工的運動學(xué)特性，揭示了常規(guī)加工和超聲振動輔助加工對鉆削軸向力和制孔質(zhì)量的影響規(guī)律。得出主要結(jié)論如下：

1)相比于常規(guī)套磨加工，旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助套磨制孔工藝具有斷續(xù)切削的加工特性，鉆頭與工件周期性地接觸分離，有利于減小軸向力，促進(jìn)鉆削區(qū)域冷卻降溫，并能夠?qū)崿F(xiàn)變速切削加工，提高制孔質(zhì)量。

2)超聲振動輔助套磨加工軸向力遠(yuǎn)低于常規(guī)套磨加工，軸向力降幅達(dá)31.8%；超聲振動輔助套磨加工和常規(guī)套磨加工的軸向力皆隨著主軸轉(zhuǎn)速增高而減小，降幅最大達(dá)37.2%，軸向力隨進(jìn)給速度增加而增大，增幅最大達(dá)75.9%。

3)常規(guī)套磨加工的入孔處疊層界面存在分離現(xiàn)象，出現(xiàn)較大的縫隙，且孔壁表面殘留短小纖維細(xì)棒，SiC陶瓷呈現(xiàn)大面積崩碎狀，整體加工質(zhì)量較差；旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助加工后疊層界面粘結(jié)緊密，GFRP除輕微樹脂涂覆外，無明顯裸露現(xiàn)象，SiC陶瓷層僅發(fā)生微小崩邊，未出現(xiàn)大面積崩碎。

4)SiC/GFRP疊層復(fù)合裝甲懸空裝夾條件下，兩種制孔方式均無法完全避免出孔處的背板隆起，采用旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助套磨制孔技術(shù)避免了不規(guī)則隆起且隆起高度較小，隆起高度降幅最大達(dá)61.03%，顯著改善鉆削出孔表面質(zhì)量，降低了出孔損傷程度。