何振豐，楊曉冬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 （carbon fiber reinforced plastic，CFRP）主要是以樹脂為基體、以碳纖維為增強(qiáng)體，具有高比強(qiáng)度、高比剛度、高硬度、高阻尼及耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、汽車等領(lǐng)域。CFRP是典形的難加工材料，用于制作復(fù)雜形狀的零件時(shí)主要采用材料成形的方法制造，但成形之后通常需進(jìn)行二次加工才能滿足精度或裝配要求。由于該材料的強(qiáng)度、硬度高，同時(shí)具有導(dǎo)熱性差、各向異性、層間結(jié)合強(qiáng)度低等特性，若采用傳統(tǒng)的切削加工會(huì)出現(xiàn)分層、開裂、毛刺、纖維拔出等加工缺陷，很難達(dá)到較高的加工精度，且刀具磨損嚴(yán)重，加工成本高[1-2]。激光加工、水射流加工、超聲波加工等非傳統(tǒng)加工方法可用于CFRP的加工，但往往會(huì)產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)、沖擊破壞、階梯狀分層、裂縫等加工缺陷[3-6]。

電火花加工一般用于加工導(dǎo)電材料，加工過程中無直接的機(jī)械接觸，適合加工高硬度、高強(qiáng)度、高脆性的難加工材料。CFRP中的樹脂不導(dǎo)電，但碳纖維導(dǎo)電，在碳纖維和電極之間可產(chǎn)生放電。由于樹脂的氣化溫度較低，可被碳纖維放電加工時(shí)產(chǎn)生的熱量蝕除；且樹脂在一定的電流條件下可被碳化成導(dǎo)電材料[7]，使放電加工繼續(xù)進(jìn)行。Lau等[8]驗(yàn)證了CFRP電火花加工的可行性。Habib等[9]采用SKD11工具鋼作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在小電流、大脈寬條件下，CFRP的材料去除率遠(yuǎn)大于SKD11工具鋼。Hayakawa、Ito等[10-11]研究了碳纖維的排布方向及短路現(xiàn)象對(duì)電火花加工CFRP的影響，發(fā)現(xiàn)翹起的碳纖維會(huì)導(dǎo)致加工過程中頻繁地發(fā)生短路，但在CFRP電火花加工過程中，短路現(xiàn)象可加快材料蝕除速度；加工表面與碳纖維平行時(shí)更易發(fā)生短路，材料去除率更高。

總體看來，關(guān)于CFRP電火花加工機(jī)理的研究充分，但對(duì)其加工特性有待進(jìn)一步研究。為此，本文基于傳熱理論對(duì)CFRP電火花加工單脈沖放電溫度場進(jìn)行了仿真研究，分析了CFRP的放電蝕除機(jī)理。

1 單脈沖放電溫度場建模

1.1 假設(shè)與簡化

電火花加工具有復(fù)雜性與隨機(jī)性，為了簡化仿真計(jì)算的過程，做出以下假設(shè)：①碳纖維與樹脂材料均勻；② 熱源為高斯熱源；③CFRP是高阻抗材料，未考慮其因阻抗產(chǎn)生的焦耳熱；④單個(gè)放電脈沖只產(chǎn)生一個(gè)放電通道，且放電通道為圓柱形、放電通道半徑恒定；⑤忽略材料的氧化及氧化產(chǎn)熱；⑥忽略樹脂材料的碳化及熱分解；⑦僅考慮熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流，忽略熱輻射。

1.2 工件模型

CFRP由碳纖維和樹脂復(fù)合而成，其中樹脂大多數(shù)為環(huán)氧樹脂。常溫下，碳纖維的軸向?qū)嵯禂?shù)約 50 W/（m·℃）、徑向?qū)嵯禂?shù)約 36 W/（m·℃）、環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)約0.1 W/（m·℃），復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)情況將具有明顯的方向性。本研究建立的加工方向與碳纖維平行和垂直的兩種幾何模型見圖1。

圖1 CFRP單脈沖放電仿真模型示意圖

1.3 熱源模型

在加工過程中，當(dāng)工件與電極間的極間電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，極間介質(zhì)被擊穿，形成等離子體放電通道，為兩極提供熱源，作用在工件表面的熱源呈高斯分布，其熱流密度表達(dá)式為：

式中：r為與熱源中心之間的距離，m；q（r）為半徑r處的熱流密度，W/m2；U為放電電壓，V；I為放電電流，A；Rρ為放電通道半徑，m；η為能量分配系數(shù)。

關(guān)于放電通道的能量分配，本文采用夏恒的研究成果，分別按34%、48%的能量分配比例向陰、陽兩極分配能量[12]。同時(shí)，采用IKai等[13]提出的經(jīng)驗(yàn)公式定義放電通道半徑，即：

式中：Rρ為放電通道半徑，m；I為放電電流，A；ton為放電持續(xù)時(shí)間，s。

1.4 邊界條件及傳熱方式

圖2是模型邊界條件示意圖。所用的極間介質(zhì)為去離子水，取對(duì)流換熱系數(shù)為 800 W/（m2·℃）。 在單脈沖放電條件下，工件可視為無限大。介質(zhì)溫度不會(huì)因火花放電而發(fā)生改變，取為室溫25℃。邊界AD、DC、BC與熱源距離較遠(yuǎn)，可視為熱絕緣，將工件的初始溫度設(shè)為室溫25℃。邊界AB的邊界條件分為兩部分，放電通道半徑Rρ內(nèi)為熱傳導(dǎo)，Rρ外與介質(zhì)進(jìn)行對(duì)流換熱，可表示為：

式中：Knn為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；q（r）為半徑 r處的熱 流 密度，W/m2；hc為對(duì)流換熱系數(shù)[800 W/（m2·℃）]；T 為工件表面溫度，℃；T0為極間介質(zhì)溫度（25 ℃）。

圖2 模型邊界條件示意圖

工件內(nèi)部的溫度變化通過熱傳導(dǎo)控制方程進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為：

式中：T為工件內(nèi)部溫度，℃；c（T）為材料隨溫度變化的比熱容 ，J/（kg·℃）；ρ為材 料 密 度 ，kg/m3；Kxx（T）、Kyy（T）、Kzz（T）分別為材料沿 x、y、z方向隨著溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

2 溫度場仿真結(jié)果

2.1 仿真條件

幾何建模采用三維熱傳導(dǎo)實(shí)體SOLID70，在其表面貼附3D-SURF152表面熱效應(yīng)單元，以便同時(shí)施加熱流載荷與對(duì)流載荷，仿真條件見表1。

表1 仿真條件

所用材料碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為60%，根據(jù)碳纖維與樹脂的體積含量進(jìn)行計(jì)算，取碳纖維的直徑為8 μm，相鄰纖維間相隔1 μm厚的樹脂。為簡化模型，取模型的四分之一進(jìn)行仿真分析，加工方向與碳纖維平行時(shí)建立的模型尺寸為95 μm×95 μm×200 μm，加工方向與碳纖維垂直時(shí)建立的模型尺寸為 200 μm×200 μm×63 μm。 采用自由網(wǎng)格劃分，控制單元尺寸為1 μm。

2.2 仿真結(jié)果及分析

溫度場仿真結(jié)果見圖3和圖4?？煽闯?，加工方向?qū)囟葓龅姆植加休^大影響。由于碳纖維的軸向?qū)嵯禂?shù)大于徑向的，且相鄰碳纖維的徑向之間存在傳熱系數(shù)較低的樹脂間隔，熱量更易沿著碳纖維軸向傳播。當(dāng)加工方向與碳纖維平行時(shí)，放電凹坑呈圓形、熔融區(qū)域較深；當(dāng)加工方向與碳纖維垂直時(shí)，放電凹坑呈橢圓形、熔融區(qū)域較淺。碳纖維的熔點(diǎn)約為2700℃，環(huán)氧樹脂的軟化點(diǎn)約為300℃，假設(shè)超過軟化點(diǎn)的部分為環(huán)氧樹脂熔融區(qū)，則不同加工方向的碳纖維與環(huán)氧樹脂熔融區(qū)的范圍見表2。

碳纖維的沸點(diǎn)約為3500℃，環(huán)氧樹脂的氣化溫度約為500℃。雖然電火花加工過程中材料因熔融去除的部分很少，但超過氣化溫度部分的材料將全部被蝕除，環(huán)氧樹脂的蝕除區(qū)域?qū)⑦h(yuǎn)大于碳纖維的蝕除區(qū)域，因此必然會(huì)蝕除過多的樹脂，留下裸露的碳纖維。由圖5可見，在溫度超過3500℃的區(qū)域中，碳纖維與樹脂全部被蝕除；在溫度約為500～3500℃的區(qū)域中，樹脂全部被蝕除，而碳纖維無法被蝕除，留下了裸露的碳纖維。不同加工方向的碳纖維和環(huán)氧樹脂因氣化而蝕除的區(qū)域范圍見表3。由圖5、表3可知，不同加工方向的碳纖維和樹脂在加工表面沿碳纖維徑向方向的蝕除長度近似相等。

表2 不同加工方向的材料熔融區(qū)域范圍

圖3 加工方向與碳纖維平行時(shí)的單脈沖放電溫度場

圖4 加工方向與碳纖維垂直時(shí)的單脈沖放電溫度場

表3 不同加工方向的材料氣化蝕除區(qū)域范圍

在與仿真相同的條件下進(jìn)行單脈沖放電實(shí)驗(yàn)，在超景深顯微鏡下對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀測。由圖6所示結(jié)果可見，放電凹坑形貌與仿真結(jié)果基本一致。

3 結(jié)束語

在CFRP電火花加工過程中，熱量更易于沿著碳纖維的軸向傳播。加工方向與碳纖維垂直時(shí)，放電凹坑較淺、呈橢圓形；加工方向與碳纖維平行時(shí)，放電凹坑較深、呈圓形。由于碳纖維與環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱系數(shù)、熔融溫度的巨大差異，導(dǎo)致加工表面會(huì)蝕除過多的樹脂，留下裸露的碳纖維。

圖5 不同加工方向碳纖維與樹脂因氣化蝕除區(qū)域示意圖

圖6 不同加工方向的放電凹坑形貌圖