馬繼宸

上海飛機(jī)制造有限公司 上海 201324

前言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是利用基體與纖維增強(qiáng)體結(jié)合而成的一種新型材料,該技術(shù)可以借助大量強(qiáng)而脆的纖維來保證材料強(qiáng)度。與傳統(tǒng)材料相比,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有更強(qiáng)的比剛度與比強(qiáng)度,其耐腐蝕性更強(qiáng)。在當(dāng)前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用過程中,磨削制孔加工是其中的關(guān)鍵關(guān)節(jié),其加工質(zhì)量關(guān)乎該材料的應(yīng)用效果,值得關(guān)注。

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的磨削制孔加工機(jī)制

從加工過程來看,磨削制孔加工的主要特征,就是利用附著在磨具上的小顆粒,利用小顆粒的切削作用清除原材料表面的材料,通過“以磨代鉆”的方法可以有效消除加工刀具對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的軸向推擠作用,減少加工過程中設(shè)備所產(chǎn)生的扭矩[1]。因此與傳統(tǒng)加工模式相比,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在磨削制孔加工中可以進(jìn)一步提升加工質(zhì)量。

1.1 切削形成機(jī)制

在傳統(tǒng)的材料加工中,主要依托刀具的主切削刃以及橫刃等,在持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下,經(jīng)剪切以及摩擦等作用清理材料。相比之下,磨削制孔加工中,主要依托工具前端裝置以及圓周表面附著的顆粒在高速旋轉(zhuǎn)條件下清除材料。通過這種差異可以認(rèn)為,磨削制孔加工的切削形成機(jī)制與傳統(tǒng)工藝相比存在明顯差異。受到切屑的影響,會(huì)導(dǎo)致材料表面形成破損,通過了解切削力變化情況來消除加工缺陷。

從磨損制孔加工過程來看,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在磨削制孔加工中會(huì)在加工作用下被破碎成大量粉末狀材料,例如在電鍍金剛石刀具磨削制孔加工中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)碳纖維的角度為0°時(shí),纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的切屑主要以塊型、細(xì)長型以及粉末型三種類型為主;而隨著角度的增加,會(huì)導(dǎo)致加工過程的切削力發(fā)生變化,刀具在垂直作用下會(huì)直接切斷碳纖維,尤其是當(dāng)切削角度達(dá)到45°或者135°時(shí),刀具的切削作用會(huì)導(dǎo)致碳纖維斷裂,此時(shí)在材料加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉末切屑,此時(shí)成孔質(zhì)量不明顯。

1.2 磨削軸向力的影響

磨削軸向力對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工質(zhì)量有直接影響,這是因?yàn)樵谠牧锨邢鬟^程中會(huì)導(dǎo)致原材料在分層缺陷下遭受破損,相關(guān)學(xué)者研究也認(rèn)為,在磨削制孔過程中,加工過程中的軸向力變化規(guī)律成為影響加工效果的重要因素。

而從當(dāng)前加工技術(shù)的發(fā)展情況來看,通過構(gòu)建給進(jìn)速度的軸向力模型了解纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工過程中的軸向力變化情況,最終模型的演變結(jié)果顯示,當(dāng)切削的軸向力低于臨界值時(shí),纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在磨削期間不會(huì)產(chǎn)生分層;或者在加工過程中通過增加刀具的齒數(shù)能夠降低最大軸向力[2]。同時(shí)不容忽視的是,在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工過程中,可以通過經(jīng)典板彎曲理論來了解磨削軸向力的受力變化情況,此時(shí)不同類型的鉆頭所產(chǎn)生的臨界軸向力會(huì)產(chǎn)生明顯變化,其中套料鉆的臨界軸向力最高階梯鉆頭的軸向力最低。

1.3 磨削溫度的影響

從纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工過程中可以發(fā)現(xiàn),在不同磨削溫度的影響下,會(huì)導(dǎo)致磨削材料的加工溫度發(fā)生變化,同時(shí)受到材料自身特性的影響,包括磨粒分布位置、纖維的性能差異等方面的不同,會(huì)導(dǎo)致磨削區(qū)的溫度應(yīng)力產(chǎn)生變化。針對磨削溫度對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工過程的影響,可以借助溫度模型的方法進(jìn)行驗(yàn)算,期間可以按照公式(1)驗(yàn)算數(shù)據(jù)。

在公式(1)中,kct代表不同切削溫度下的材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化;Cf代表材料的體積含量;kft代表材料平均纖維方向熱導(dǎo)率;ke代表導(dǎo)熱率。

在公式(1)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過在切削溫度應(yīng)力模型的基礎(chǔ)上識別溫度變化對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料磨削制孔加工效果的影響。在上述模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以精準(zhǔn)記錄工件在不同工況下的溫度分布情況,根據(jù)一般纖維增強(qiáng)復(fù)合材料磨削制孔加工過程可以發(fā)現(xiàn),在電鍍金剛石刀具磨削加工過程中,溫度應(yīng)力的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變化,最終結(jié)果驗(yàn)證顯示,磨削制孔過程中的出口溫度場呈現(xiàn)出橢圓形特征,并且溫度應(yīng)力分布呈現(xiàn)出馬鞍形的分布特性,根據(jù)該溫度場模型分布方案則可以識別制孔的溫度升溫變化情況,因此最終結(jié)果顯示碳纖維分布情況影響制孔溫度變化。

同時(shí)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工過程本身會(huì)引發(fā)一系列溫度應(yīng)力變化,這是因?yàn)槟ハ鞒隹诘臏囟仁艿街鬏S轉(zhuǎn)速以及磨粒粒徑等因素的影響,并且隨著軸向給進(jìn)速度的增加以及磨粒間距增大等因素影響,發(fā)現(xiàn)其溫度應(yīng)力分布出現(xiàn)變化,其相關(guān)影響機(jī)制表現(xiàn)為:主軸轉(zhuǎn)速越大對溫度的影響越明顯;同時(shí)從磨粒粒徑以及原材料給進(jìn)速度等因素的影響下,發(fā)現(xiàn)材料的溫度模型呈現(xiàn)出不同的空間分布(見圖1)。

圖1 原材料磨削制孔過程中的溫度分布

在上述溫度分布的作用下可以發(fā)現(xiàn)隨著磨削制孔轉(zhuǎn)速增加,會(huì)導(dǎo)致制孔出口位置出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)齻?/p>

2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工中的質(zhì)量缺陷與評價(jià)方法

2.1 常見質(zhì)量缺陷問題

現(xiàn)階段纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在采用磨削制孔加工之后,常見的質(zhì)量缺陷主要分為兩種類型,其中一種則是原材料普遍存在的缺陷,包括加工孔的誤差或者位置誤差等,這種類型誤差也是日常加工中的常見類型。另一種則是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料自身特有的質(zhì)量缺陷問題,在磨削制孔加工中出現(xiàn)纖維拔出或者分層、撕裂等情況。在上述質(zhì)量缺陷發(fā)生后,會(huì)嚴(yán)重影響原材料使用年限[3]。

同時(shí)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工過程中,金剛石等材料因?yàn)榫哂歇?dú)特的加工機(jī)制,在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料磨削制孔中可能出現(xiàn)特殊的質(zhì)量缺陷,這是因?yàn)榻饎偸诩庸み^程中往往會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的特殊性而導(dǎo)致制孔口的毛刺現(xiàn)象不明顯,而金剛石顆粒的特殊推擠作用,最終導(dǎo)致制孔周圍發(fā)生材料凸出、分層的質(zhì)量問題。

2.2 評價(jià)方法

2.2.1 分層缺陷

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的分層缺陷較為常見,該缺陷是指原材料在應(yīng)力狀態(tài)影響下所出現(xiàn)的脫膠斷裂情況,并且這種斷裂現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致裂紋沿著不同空間分布進(jìn)行分布,屬于特殊的失效機(jī)制。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料磨削制孔期間,分層缺陷主要集中在孔出口位置,表現(xiàn)出典型的分層特征,且隨著軸向力的增加,會(huì)使材料的出口位置的分層更明顯。同時(shí)在磨削制孔中,雖然“以磨代鉆”的加工方法可以抑制分層缺陷的發(fā)生。在這種情況下,通過構(gòu)建分層軸向力模板可以評估其分層應(yīng)力變化情況,在數(shù)據(jù)計(jì)算中,借助數(shù)學(xué)解析的方法判斷可能出現(xiàn)的分層缺陷,最終研究結(jié)果顯示,在采用金剛石套料鉆等磨削制孔方法后,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的分層缺陷主要沿著纖維方向擴(kuò)展。

2.2.2 毛刺與撕裂缺陷

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的毛刺與撕裂質(zhì)量問題較為常見,是原材料常見的加工質(zhì)量問題,例如此類缺陷主要集中在材料的下表面的纖維鋪層位置,在磨削制孔加工過程中,刀具的鋒利性下降本身會(huì)影響正常的原材料打磨過程,并且在鉆削過程中所產(chǎn)生的軸向力會(huì)大于材料極限強(qiáng)度,受到這一特殊受力狀況的影響,會(huì)導(dǎo)致材料構(gòu)件裝配精度,此時(shí)在磨削制孔中,因?yàn)槟＞吲c纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的表面上存在大量磨粒,此時(shí)磨粒的運(yùn)動(dòng)變化過程會(huì)呈現(xiàn)出螺旋式的變化過程,尤其是在切削材料后發(fā)生大量微小裂紋,裂紋受到螺旋給進(jìn)運(yùn)動(dòng)的影響,在這一運(yùn)動(dòng)作用機(jī)制下會(huì)造成大范圍的撕裂或者毛刺質(zhì)量問題。所以在質(zhì)量缺陷評價(jià)中,通過了解原材料的撕裂與毛刺質(zhì)量缺陷的發(fā)生機(jī)制,可以為進(jìn)一步優(yōu)化刀具設(shè)計(jì)方案提供支持。

而在上述質(zhì)量缺陷評價(jià)中,大量研究證明纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的平均撕裂長度與軸向力之間存在密切關(guān)系,在不同評價(jià)方法中,則可以借助比長度法或者比面積法來觀察材料的毛刺與撕裂缺陷變化狀態(tài),如通過對比不同工況下磨削制孔中毛刺與撕裂長度變化情況,根據(jù)長度或者面積變化結(jié)果作出判斷。

2.2.3 孔壁表面粗糙度

在當(dāng)前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等材料加工過程中,材料孔壁質(zhì)量影響最終加工效果,也是影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及疲勞壽命的重要因素。在加工過程中,纖維方向會(huì)在磨削制孔的結(jié)構(gòu)過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞,最終影響了表面加工效果,尤其是孔壁表面粗糙度越高,則這種磨損變化表現(xiàn)得越明顯。

從磨損評估的角度來看,不同孔壁表面粗糙度對最終加工效果有直接影響,例如在評價(jià)方案中,借助測量劃切力以及和聲發(fā)射的劃痕實(shí)驗(yàn)方法可以觀察原材料表面性能指標(biāo)變化,受不同孔壁表面粗糙度的影響,隨著粗糙度的增加,當(dāng)纖維方向與刀具之間的角度為銳角時(shí),則可以發(fā)現(xiàn)纖維鋸齒表面發(fā)生嚴(yán)重開裂,證明兩者之間存在相關(guān)性。

3 磨削制孔加工的質(zhì)量管理方法

影響纖維增強(qiáng)復(fù)合材料磨削制孔影響因素是多方面的,在加工過程中需要工作人員認(rèn)識到不同因素加工質(zhì)量的影響并形成預(yù)防措施,這樣才能提升加工質(zhì)量。

3.1 纖維方向?qū)δハ骷庸べ|(zhì)量的影響

對于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料而言,在磨削制孔加工過程中,纖維材料的分布本身具有明顯的方向性特征,并且受到纖維加工角度等因素的影響,在0°-90°的范圍內(nèi),隨著角度的增加,纖維方向?qū)ψ罱K加工質(zhì)量的影響越明顯[4]。

從現(xiàn)有研究可以發(fā)現(xiàn),孔壁粗糙度與纖維方向之間存在密切關(guān)系,檢測結(jié)果顯示當(dāng)纖維切削角度從0°-45°增長時(shí),可以發(fā)現(xiàn)其表面粗糙度不斷上升;而當(dāng)角度從45°向90°增加過程中,孔壁粗糙度減小,最終檢測結(jié)果顯示,當(dāng)角度達(dá)到45°時(shí),纖維材料的粗糙度達(dá)到峰值,并且在粗糙度水平提升過程中,孔壁表面的粗糙度分布更加明顯。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看,在磨削制孔加工環(huán)節(jié),在使用8mm的金剛石套料鉆對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行磨削制孔后,在磨削過程中無論有無超聲輔助加工,纖維角度都會(huì)影響材料表面的粗糙度水平,這已經(jīng)成為當(dāng)前加工過程中不容忽視的問題。

同時(shí)不容忽視的是,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料本身具有很強(qiáng)的向異性特征,在這一作用機(jī)制的影響下會(huì)導(dǎo)致纖維承受不同的剪切作用,尤其是在材料的“逆剪”以及“順剪”方向下,會(huì)導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變化,例如在“順剪”位置上,采取磨削制孔加工方法后,該區(qū)域會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的纖維拔出或者撕裂等質(zhì)量問題;而相比之下,“逆剪”區(qū)域下表面材料的狀況良好,幾乎無毛刺等問題。除此之外,孔壁的粗糙程度成為影響加工質(zhì)量的重要因素,這是因?yàn)樵陔S著纖維切削方向的變化,會(huì)導(dǎo)致材料表面粗糙度發(fā)生變化,當(dāng)角度達(dá)到45°時(shí),表面粗糙度達(dá)到最高值,彩標(biāo)孔壁表面粗糙度則嚴(yán)格按照軸向空間做水平分布。

3.2 磨削參數(shù)

從磨削參數(shù)對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料磨削制孔加工過程的影響中可以發(fā)現(xiàn),在當(dāng)前磨削制孔中需要考慮原材料給進(jìn)速度、套料鉆壁厚度等因素的影響,在選擇磨削參數(shù)期間,應(yīng)圍繞質(zhì)量管理要求確定加工磨削的數(shù)據(jù)規(guī)范。例如在金剛石套料鉆磨削制孔加工中,通過正交列陣的計(jì)算方法判斷鉆孔參數(shù)對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料粗糙度的影響后,最終研究數(shù)據(jù)顯示,通過嚴(yán)格控制給進(jìn)速度并盡可能地縮小鉆壁厚度有助于改善加工材料的粗糙度。同時(shí)在相關(guān)研究中也發(fā)現(xiàn),軸向力與主軸轉(zhuǎn)速之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,但是隨著給進(jìn)速度不斷增加,則軸向力也會(huì)有明顯提升,所以在制定磨削參數(shù)過程中,可以采用高主軸轉(zhuǎn)速與低給進(jìn)轉(zhuǎn)速相互結(jié)合的方法,這種磨削制孔加工方法的主要優(yōu)點(diǎn),就是可以降低軸向力并降低磨削過程中發(fā)生分層缺陷的風(fēng)險(xiǎn),有助于提升磨削制孔加工效果。但是同時(shí)不容忽視的是,并非給進(jìn)速度越低磨削制孔的加工效果越好,所以在具體操作中應(yīng)進(jìn)一步探索不同磨削參數(shù)對最終加工效果的影響,例如通過5mm電鍍金剛石鉆磨刀具做磨削制孔后,在綜合主軸給進(jìn)速度等因素對制孔質(zhì)量的影響后,最終數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)設(shè)備的給進(jìn)速度達(dá)到25mm/min,主軸轉(zhuǎn)速為10000m/min時(shí),材料的加工效果越好;而在采用小口徑鉆孔加工時(shí),應(yīng)采用低給進(jìn)的加工方法,即將給進(jìn)速度控制在0.01mm/r時(shí),原材料的加工質(zhì)量滿意,并且不容忽視的是,隨進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速的增加孔壁內(nèi)部的分層損傷越發(fā)明顯,但當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加到一定時(shí),反而會(huì)抑制分層缺陷在孔壁內(nèi)部的擴(kuò)展[5]。造成這一現(xiàn)象的原因可能為:在磨削結(jié)構(gòu)過程中,材料的去除率維持不變,但是隨著主軸長度的增加,金剛石磨粒有效長度有明顯增加,最終導(dǎo)致原材料出現(xiàn)軸向力以及切削深度下降的現(xiàn)象。

因此可以認(rèn)為,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在磨削制孔期間,其制孔效果與主軸轉(zhuǎn)速之間存在密切關(guān)系,并且磨削參數(shù)對最終加工效果的印象不容忽視,因此在加工生產(chǎn)過程中,應(yīng)深入了解磨削制孔的技術(shù)要求,經(jīng)該工藝加工后纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的磨削制孔滿足質(zhì)量控制規(guī)范。

4 結(jié)束語

在當(dāng)前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的磨削制孔加工中,影響加工質(zhì)量的因素是多方面的,因此為了能夠保證材料加工質(zhì)量,相關(guān)人員應(yīng)深入了解孔壁表面粗糙度等質(zhì)量問題對最終加工結(jié)果的影響,借助多樣化的評估計(jì)算方法正確評估不同方法對加工質(zhì)量的影響,最終有效消除潛在加工質(zhì)量缺陷,并將其作為提升纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工效果的突破口,并且在加工中通過正確調(diào)節(jié)纖維方向等措施可以保障磨削制孔加工效果,具有可行性。