郭晉軍,李威達(dá),王瑞平
(1.寧波上中下自動變速器有限公司,浙江 寧波 315800; 2.寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司,浙江 寧波 315336;3.浙江吉利動力總成有限公司,浙江 寧波 315800)
碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(C/SIC)具有高強(qiáng)度、高模量、高硬度的物理性能,還具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的化學(xué)性能,故而在高溫、高腐蝕環(huán)境的工業(yè)中表現(xiàn)出巨大的潛力[1],比如航空航天發(fā)動機(jī)的高溫構(gòu)件[2-3],核工業(yè)以及汽車剎車系統(tǒng)[4]。
在實際工業(yè)應(yīng)用中,常規(guī)鉆孔是最常用的加工工藝,用來鉚接和緊固結(jié)構(gòu)組件。然而,由于其高硬度、高強(qiáng)度、各向異性,陶瓷基復(fù)合材料的可加工性差,加工表面質(zhì)量難以控制[5-6]。鉆孔產(chǎn)生的纖維斷裂、分層、纖維拔出、微裂紋等缺陷嚴(yán)重影響加工表面完整性,甚至導(dǎo)致零件報廢[7]。
筆者建立了孔加工過程中出口損傷的半經(jīng)驗?zāi)P?,設(shè)計了一系列實驗,研究了名義斷裂韌性對孔出口損傷帶來的影響。
根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子理論,可知:
式中:Y代表材質(zhì)的形狀系數(shù);a代表材質(zhì)表面裂紋長度;σ代表工件在承受外力拉伸時應(yīng)力;K代表拉伸時的應(yīng)力的強(qiáng)度因子[8]。
依據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子理論公式,得出上面的結(jié)論:當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子小于斷裂韌性時,裂紋不擴(kuò)展;當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于斷裂韌性時,裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展[8]。
如圖1(a)所示,假設(shè)此時的狀態(tài)恰好為裂紋即將擴(kuò)展,應(yīng)力強(qiáng)度因子等于斷裂韌性,見下式:
上式中,σ1是工件受到的拉應(yīng)力。
如圖1(b)所示,假設(shè)此時的狀態(tài)同樣為裂紋即將擴(kuò)展,只不過在工件表面施加了壓應(yīng)力σ0。此時應(yīng)力強(qiáng)度因子等于斷裂韌性,見下式:
移項可得下式:
式中:σ0代表外在增加的壓應(yīng)力;σ2代表外在增加壓應(yīng)力的時候產(chǎn)生拉應(yīng)力。
圖1 名義斷裂韌性
從廣義的角度分析,認(rèn)為在工件表面施加壓應(yīng)力是變相的增加了工件材料的斷裂韌性,并稱之為名義斷裂韌性。即:
1.2.1 切削力
為了便于建立切削力模型,復(fù)雜的磨粒被簡化為具有一定頂角的圓錐,依次排列在刀具上,如圖2。
見圖3,在圖中OAB的面積為此次實驗驗證的對象.并且需對在此面積上切削時產(chǎn)生的力dp進(jìn)行計算。為便于簡化方便,設(shè)定磨粒表面摩擦力為0,則dp垂直于圓錐表面[9]。
圖2 鉆削加工示意圖
圖3 作用在磨粒上的切削力
假設(shè)參與切削的圓錐部分母線長為ρ,則OAB微小面積可以用下式求得:
式中:dA代表驗證對象OAB的面積;ρ表示切削母線長度;γ表示圓錐頂角1/2;φ表示OAB面與切削方向的夾角[9]。
假設(shè)在一個單位面積上作用的應(yīng)力為σ,且設(shè)定σ作為常數(shù)。則可通過下式求得OAB微小面積上的切削力dp:
式中:dp表示微元受到的切削力;σ表示單位面積上的應(yīng)力。
根據(jù)力的分解知識,可以得到下式:
根據(jù)微積分知識,將微小面積的力進(jìn)行積分得到下式:
=σρ2sin2γcosγ
式中:Fn表示單磨粒所有參與切削的部分產(chǎn)生的豎直向下的力。
FN=j*Fn=jσρ2sin2γcosγ
式中:j表示參與磨削的所有磨粒數(shù);FN表示所有磨粒產(chǎn)生的豎直向下的力。
實際加工過程中,刀具每一圈的進(jìn)給量不能超過磨粒的露出高度,因此刀具每旋轉(zhuǎn)一圈的鉆削深度與主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的關(guān)系可用下式表示:
式中:f表示加工刀具的進(jìn)給量,mm/min;v表示主軸速度,r/min[9]。
那么,F(xiàn)N可以用下式表示:
1.2.2 中位裂紋
如圖4,根據(jù)文獻(xiàn)[10]、[11]的研究可知:
式中:Cm表示中位裂紋的長度;E表示彈性模量;HV表示維氏硬度;γ表示磨粒半角;KIC表示斷裂韌性[10-12]。
圖4 中位裂紋
1.2.3 孔出口損傷表征參數(shù)ds
根據(jù)王健健等人[13]研究可知:
式中:ε表示修正系數(shù);Cm表示中位裂紋長度;k表示半經(jīng)驗系數(shù),由實驗獲得;KIC表示材料的斷裂韌性。
根據(jù)上述的分析,將切削力FN和中位裂紋Cm代入,ds可以表示如下:
dsk=
上式中,ξ表示半經(jīng)驗系數(shù),由實驗獲得。
1.2.4 孔出口損傷的半經(jīng)驗?zāi)P?/p>
被加工工件在加工過程中受到外在壓應(yīng)力時,加工工件的名義斷裂韌性會發(fā)生一定變化??紤]名義斷裂韌性對表征參數(shù)ds的影響時,需將名義斷裂韌性帶入到表征參數(shù)ds公式中,可以得到孔出口損傷的半經(jīng)驗?zāi)P停?/p>
試驗加工孔后,取得驗證結(jié)果,產(chǎn)生加工經(jīng)驗的系數(shù):K=1.879,ξ=0.051 0。得出孔出口損傷的半經(jīng)驗?zāi)P凸綖椋?/p>
采用的工件材料是2D C/C-SIC陶瓷基復(fù)合材料,它們采用先驅(qū)體浸漬裂解法制備,工件尺寸為長15 mm×寬15 mm×厚5 mm。
在工件試驗驗證時,備用刀具有兩種,分別用φ6 mm和φ3 mm進(jìn)行鉆孔。如圖5,實驗采用大宇A(yù)CE-V500數(shù)控銑床,最大主軸轉(zhuǎn)速為10 000 r/min。采用YARIKI-RSX125數(shù)顯式扭力矩對工件施加壓應(yīng)力,測力工具采用Kistler9257B測力儀,孔出口損傷程度采用VHX-600E大景深顯微鏡測量。
圖5 鉆削實驗裝置
在對工件進(jìn)行加工試驗時,設(shè)定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速v為2 400 r/min,工作臺進(jìn)給速度f為9 mm/min,采用壓縮空氣冷卻干切削的方法,提取7組實驗驗證數(shù)據(jù)。因為復(fù)合材料具有各向異性和不均勻性的特點,實驗數(shù)據(jù)具有一定的離散性,所以每組實驗重復(fù)5次,取5次實驗結(jié)果的平均值作為有效值,則實驗的總數(shù)為35。
圖6是基于實驗值與預(yù)測值的相對比曲線,從對比圖中曲線走勢可以看出,實驗值與模型預(yù)測值相似度及一致性都達(dá)到理想狀態(tài)。從數(shù)據(jù)來看,進(jìn)一步說明,在實驗中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)基本規(guī)律能夠通過鉆孔出口經(jīng)驗公式合理、準(zhǔn)確地反映出來。這表明本文提出的鉆孔出口經(jīng)驗公式模型可以用來預(yù)測孔出口的損傷,也可以用來指導(dǎo)實際加工過程。
圖6 名義斷裂韌性對孔出口損傷的影響
圖7是鉆孔加工完成后,孔底產(chǎn)生的加工狀態(tài)。圖中的順序:1、2、3、4、5、6、7,為此次實驗驗證的順序號。從下圖中觀察加工后孔的底部,在出口的損傷嚴(yán)重程度逐步得到很大程度上的改善,而且從圖中1~7孔口損傷越來越小。
經(jīng)過觀察、分析圖6、7可知:隨著名義斷裂韌性的增加,孔出口的損傷ds逐漸降低,且降低速率不斷減小。根據(jù)斷裂力學(xué)的止裂原理可解釋(如圖1),當(dāng)工件材料的斷裂韌性增加時,裂紋的擴(kuò)展將變得困難。如果承受同樣的拉應(yīng)力,斷裂韌性大的工件,產(chǎn)生的裂紋更小(造成的孔出口的損傷更小),需要更大的拉應(yīng)力才能使裂紋擴(kuò)展,或者需要更多的能量才能使裂紋擴(kuò)展。
圖7 孔出口形貌
提出了名義斷裂韌性的概念,建立了孔出口損傷經(jīng)驗?zāi)P陀嬎愎?。根?jù)經(jīng)驗計算公式的指導(dǎo)及實驗驗證得出結(jié)果的分析,可以得到如下結(jié)論。
(1) 鉆孔出口損傷經(jīng)驗公式模型的預(yù)測值和實驗值相似度及一致性都達(dá)到理想狀態(tài),驗證了鉆孔出口損傷經(jīng)驗公式模型的合理正確性,并且可指導(dǎo)實際加工過程。
(2) 通過驗證,取得了名義斷裂韌性在加工孔時,形成對孔底口造成損傷的影響的規(guī)律。隨著名義斷裂韌性的增加,孔出口的損傷程度逐漸得到改善,不過隨著名義斷裂韌性的持續(xù)增加,損傷程度的改善效果逐漸降低。