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

0 前言

為了進(jìn)一步提高聚乙烯的機(jī)械力學(xué)強(qiáng)度，可以采用碳纖維作為增強(qiáng)體制備得到具備高強(qiáng)度的輕型復(fù)合材料CFRP，并且可以根據(jù)實(shí)際使用要求進(jìn)行性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前已被廣泛應(yīng)用于建筑排水管領(lǐng)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(fù)合材料產(chǎn)品，而對于某些特定的結(jié)構(gòu)依然需對其實(shí)施制孔與切邊處理才能實(shí)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(zhì)以及各向異性特征，同時(shí)包含了聚乙烯、纖維、界面多相結(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(jié)構(gòu)，有學(xué)者針對復(fù)合材料在鉆削加工過程中的各項(xiàng)影響因素進(jìn)行了深入分析，對各項(xiàng)加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并重新設(shè)計(jì)了刀具結(jié)構(gòu)，使鉆削加工質(zhì)量獲得顯著提升[5-7]。上述研究內(nèi)容都對復(fù)合材料的加工發(fā)揮了重要的引導(dǎo)作用，從本質(zhì)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(dāng)溫度改變后，CFRP的特性也會(huì)發(fā)生明顯變化，隨著溫度的升高，聚乙烯會(huì)出現(xiàn)軟化的結(jié)果，引起力學(xué)強(qiáng)度的明顯下降，而處于較低溫度的環(huán)境中，聚乙烯將會(huì)表現(xiàn)出明顯的脆性，因此在不同的溫度下復(fù)合材料具有明顯不同的加工特性，由此引起加工質(zhì)量的較大波動(dòng)[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(shè)定在不同的初始溫度下，再對其進(jìn)行鉆削制孔測試得到制品質(zhì)量與溫度之間的關(guān)系。通過研究發(fā)現(xiàn)，逐漸提高預(yù)熱溫度后，引起了軸向力的快速減小，同時(shí)產(chǎn)生了更多的出口損傷；隨著預(yù)熱溫度升高到玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上時(shí)，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(dāng)聚乙烯在高溫環(huán)境中發(fā)生軟化或因?yàn)榈蜏乇憩F(xiàn)出明顯脆性時(shí)都會(huì)改變CFRP切削加工的特性，同時(shí)造成損傷程度的明顯提高。此外，在各纖維方向下的CFRP會(huì)表現(xiàn)出力學(xué)與熱性能的較大差異，關(guān)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(jié)論。針對以上情況，本文通過控制不同實(shí)驗(yàn)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(shè)定溫度下的切削特性，為設(shè)計(jì)新的CFRP切削條件與后續(xù)新工藝的開發(fā)創(chuàng)造了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及材料

本文采用控溫直角切削系統(tǒng)進(jìn)行切削測試，同時(shí)探討了復(fù)合材料的切削特性與溫度之間的關(guān)系，采用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對切削溫度的精確控制，并完成在線測試切削力與實(shí)時(shí)調(diào)控溫度的過程。為實(shí)現(xiàn)一致切削的效果，測試期間將道具安裝在一個(gè)固定位置，只控制復(fù)合材料進(jìn)行運(yùn)動(dòng)來完成切削加工過程，利用微位移平臺(tái)作為CFRP單向?qū)雍习宓墓潭ńY(jié)構(gòu)，利用微位移平臺(tái)的不同位置來實(shí)現(xiàn)層合板和刀具之間的良好接觸。對實(shí)際溫度采用FLIRA40M紅外儀進(jìn)行了測試。利用9257B測力儀對切削期間的刀具載荷改變進(jìn)行了測量。為了防止對CFRP加工的時(shí)候?qū)χ苓叚h(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(shè)方向的共12層預(yù)浸料進(jìn)行固化熱壓得到3 mm厚的測試樣品，表1給出了各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果。以硬質(zhì)合金機(jī)夾刀片作為測試刀具，采用標(biāo)準(zhǔn)刀桿作為安裝結(jié)構(gòu)，控制前角與后角分別為30°與15°。

表1 CFRP單向?qū)雍习宓牧W(xué)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(xiàng)參數(shù)保持恒定的狀態(tài)。根據(jù)目前的相關(guān)研究可知，在切深未超過10 μm的情況下，不會(huì)對CFRP材料造成明顯損傷，經(jīng)綜合考慮，本文把切深設(shè)定在50 μm，同時(shí)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(dá)到設(shè)定溫度，利用紅外溫度儀測定切削區(qū)的實(shí)際溫度。當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值后，控制直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程以實(shí)現(xiàn)直角切削的過程。本實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度下限為0 ℃，溫度上限是90 ℃，波動(dòng)范圍低于5 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度對力學(xué)性能的影響

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

由圖1可知，提高溫度后，試樣的壓縮強(qiáng)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(shí)，基本的性能對試樣的壓縮強(qiáng)度有很大的影響。聚乙烯的力學(xué)性能會(huì)隨著溫度的升高而降低，進(jìn)而導(dǎo)致試樣抗壓性能減弱。將會(huì)引起聚乙烯力學(xué)強(qiáng)度與模量的減小，同時(shí)CFRP也會(huì)發(fā)生機(jī)械力學(xué)強(qiáng)度與模量的大幅下降。

圖1 溫度對CFRP筋材試樣壓縮強(qiáng)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(huì)達(dá)到更高的黏彈性，產(chǎn)生更高的斷裂能，由此引起CFRP斷裂能的增大，CFRP 多向?qū)雍习宓臄嗔涯艿淖兓Y(jié)果見圖2。同時(shí)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(xué)特性變化。

圖2 CFRP多向?qū)雍习宓臄嗔涯艿淖兓?/p>

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

圖3 主切削力在100 ℃隨時(shí)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(jié)果顯示，切削力發(fā)生了較明顯的波動(dòng)。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(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的階段，當(dāng)?shù)度袕脑嚰l(fā)生脫離時(shí)，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(xué)性能產(chǎn)生的影響，加工時(shí)其切削力也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生變化，在纖維和刀具形成垂直切削角的情況下進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果顯示，切削力隨溫度上升而顯著減小，到達(dá)高溫狀態(tài)時(shí)切削力相對于低溫狀態(tài)只有10%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是當(dāng)溫度上升后，聚乙烯表現(xiàn)出明顯的溫變特征，并且此時(shí)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(chǎn)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(dá)到了更高的溫度，引起力學(xué)強(qiáng)度的明顯降低，同時(shí)黏結(jié)效果減弱，出現(xiàn)纖維偏轉(zhuǎn)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(shí)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(jìn)一步擴(kuò)散到面下。靠近切削面的區(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(dāng)溫度上升后表現(xiàn)為略微減小的變化規(guī)律。

3 結(jié)論

①隨著溫度升高，CFRP筋材壓縮強(qiáng)度明顯降低，力學(xué)性能隨溫度升高而降低。②在刀具對工件最初切入時(shí)，主切削力快速增大，之后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的階段，當(dāng)?shù)度袕脑嚰l(fā)生脫離時(shí)，主切削力表現(xiàn)為大幅減小。切削力在高溫(100 ℃)時(shí)，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(chǎn)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(dāng)溫度上升后表現(xiàn)為略微減小的變化規(guī)律。