梁中福,靳 凱

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司, 山東 青島，266000；2.中國海洋大學，山東 青島，266000)

碳纖維復合材料是一種先進高強度復合材料，具有力學性能優(yōu)異，耐腐蝕性能好，可設計性強等優(yōu)點，廣泛應用于輕量化裝備、航空航天等領域[1-2]，如在飛機制造領域，碳纖維復合材料通過真空熱壓成型或者模壓成型制成層合板可應用于飛機的蒙皮和一些內部結構。但是在制造和使用碳纖維層合板的過程中，層合板難免會受到損傷，如表面劃痕、裂紋、凹坑孔洞等[3-4]，這些缺陷的存在會嚴重降低層合板的承載能力，需要對其表面進行打磨去除損傷區(qū)域再通過修復后繼續(xù)使用，因此碳纖維層合板的損傷去除工藝及性能修復成為近年來國內外的研究熱點。

目前碳纖維復合材料構件損傷部位的打磨主要采用手工打磨，打磨精度控制難度較大，易導致表面打磨不均勻，且勞動強度大、粉塵對人體危害大[5-8]。近年來，隨著工業(yè)機器人的發(fā)展，越來越多的研究人員將目光轉到由工業(yè)機器人主導的自動打磨系統。機器人打磨代替手工打磨可使碳纖維層合板表面粗糙度得到極大的降低，在磨削過程中，設計出合適的打磨軌跡不僅可以提高加工質量，而且可以極大地提高加工效率[9-10]。張輝等[11]研究了機器人打磨對用碳纖維復合材料構件表面質量的影響因素，并利用多元線性回歸方法建立了表面粗糙度與打磨正壓力、進給速度、打磨氣壓關系的預測模型。曾國強等[12]通過控制單因素設計正交試驗，探究了工業(yè)機器人連接打磨頭的磨頭轉速、機器人進給速度、打磨壓力、砂紙目數等對碳纖維層合板外表面粗糙度的影響，得到在某些情況下較為合適的打磨參數。

碳纖維層合板的表面粗糙度對膠接修復有很大影響，雖然適當表面粗化可以提高膠接強度，但粗糙度若超過一定范圍，則表面不能被很好的浸潤且碳纖維絲易損傷，凹坑殘留空氣也會影響膠接[13-14]。作者應用工業(yè)機器人對碳纖維層合板表面進行打磨，研究了打磨方向、磨頭轉速、打磨頭金剛砂目數對層合板表面粗糙度的影響，并探索了打磨軌跡對修復后碳纖維層合板力學性能的影響。

1 實驗

1.1 主要材料及設備

T700單向碳纖維環(huán)氧預浸料：厚度0.125 mm，12 K，日本東麗公司產。

ACR-3熱補儀：美國BriskHeat公司制；FANUC六軸工業(yè)機器人：配置40，80，120，240目金剛砂圓柱形打磨頭，日本FANUC株式會社制；萬能拉伸試驗機：新三思試驗設備公司產；VK-X250激光共聚焦顯微鏡：日本Keyence公司制。

1.2 碳纖維層合板的制備

將碳纖維層合板預浸料鋪貼尺寸剪裁成240 mm × 220 mm，選擇兩種鋪貼方式，分別為32層全0°鋪層，32層[0°/90°]16s鋪層。按照預浸料固化工藝參數選用真空熱壓法固化碳纖維層合板，如圖1所示。

圖1 碳纖維層合板固化模型示意

將固化后碳纖維層合板按照GB/T 3354—2014《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行試樣尺寸設計，工作段95 mm，夾持段25 mm，制得試樣總長185 mm，寬度20 mm，并規(guī)定鋪層長邊為0°方向，短邊為90°方向。制樣尺寸示意如圖2所示。

圖2 碳纖維層合板制樣尺寸示意

1.3 打磨工藝設計

工業(yè)機器人通過機械臂與金剛砂打磨頭結合，對打磨軌跡編程后進行自動化打磨。為探索打磨表面粗糙度與打磨頭金剛砂目數、磨頭轉速及打磨階梯數之間的關系，設計不同的打磨參數，來探究工業(yè)機器人對0°鋪層的碳纖層合板進行自動化打磨的可行性和較佳工藝。

設計打磨頭金剛砂目數分別為40，80，120，240，主軸磨頭轉速分別為1 500，2 250，3 000，3 750 r/min，見表1。

表1 打磨參數設計

打磨方向按垂直纖維方向和平行纖維方向設計，見圖3。

圖3 打磨方向示意

打磨階梯數設計為四階梯與八階梯。四階梯的形貌為中間部分最低，往兩側逐漸抬高呈階梯狀，試樣尺寸厚度為4 mm，中間最低處打磨至2 mm，然后以10 mm為一個階梯平臺寬度，0.5 mm為階梯高度，形成四階梯打磨形貌設計。四階梯打磨形貌及打磨軌跡見圖4。

圖4 四階梯打磨形貌與打磨軌跡

八階梯打磨形貌與四階梯類似，同樣是最低處打磨至2 mm，以5 mm作為一個階梯平臺寬度，階梯高度為0.25 mm。八階梯打磨形貌及打磨軌跡見圖5。

圖5 八階梯打磨形貌與打磨軌跡

1.4 分析與測試

表面粗糙度：采用激光共聚焦顯微鏡分析打磨粗糙度。從取樣處的中心點向外以100，200，300，400，500 μm為半徑劃同心圓，5個同心圓粗糙度的均值即為該取樣處的表面粗糙度，見圖6。

圖6 表面粗糙度測試取樣示意

拉伸性能：按照GB/T 3354—2014《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》對試樣進行拉伸性能測試。

2 結果與討論

2.1 打磨質量

2.1.1 0°鋪層垂直纖維方向打磨質量

從圖7可以看出：打磨頭金剛砂為40目或80目，磨頭轉速為2 250 r/min時，碳纖維層合板的表面粗糙度最小，在1.7 μm左右，表面起伏較小；打磨頭金剛砂為120目，磨頭轉速為3 000 r/min時，碳纖維層合板的表面粗糙度最小，在1.8 μm左右，表面起伏較小；打磨頭金剛砂為240目，磨頭轉速為3 000 r/min時，碳纖維層合板的表面粗糙度最小，在1.3 μm左右，但磨頭轉速為1 500 r/min時，該處的表面粗糙度很大，表面高低起伏嚴重，出現明顯缺陷，理論上磨頭金剛砂粒徑越細打磨粗糙度會越小，而此打磨條件下則出現明顯缺陷，其原因為垂直于纖維方向打磨過程中，當磨頭金剛砂粒徑太小，砂輪易被磨屑堵塞，所以在此轉速、進給深度與推進力的情況下，打磨質量降低，行進受阻，導致出現劃痕。

圖7 不同金剛砂及磨頭轉速下垂直纖維方向打磨時的表面粗糙度

實踐表明，打磨表面粗糙度控制在1.5～2.3 μm，層合板修復膠接強度更好，因此0°鋪層碳纖維層合板垂直纖維方向打磨時，適宜的磨頭轉速應控制在2 250 r/min與3 000 r/min，磨頭轉速較慢或較快都會使打磨質量變差，這是因為打磨轉速低，磨頭磨削量小，會造成打磨質量差；而磨頭轉速高，由于打磨頭與機械臂連接在一起，同時機械臂又存在一定的柔性，在打磨頭轉速很快的情況下，會引起機械臂的振動，造成磨頭打磨定位不準，影響打磨質量。

2.1.2 0°鋪層平行纖維方向打磨質量

從圖8可以看出：打磨頭金剛砂為40目或80目，磨頭轉速為2 250 r/min時, 碳纖維層合板的表面粗糙度最小，在2.0 μm左右；打磨頭金剛砂為120目，磨頭轉速為3 000 r/min時，碳纖維層合板的表面粗糙度最小，在2.0 μm左右；打磨頭金剛砂為240目，磨頭轉速為2 250 r/min時，碳纖維層合板的表面粗糙度最小，在1.8 μm左右，未出現垂直纖維方向打磨、磨頭轉速為1 500 r/min時，表面高低起伏嚴重，磨頭行進不暢的情況，其原因是平行纖維方向打磨時，行進阻力較小，砂輪不易被磨屑堵塞。綜上分析，平行纖維方向打磨時的表面粗糙度變化趨勢與垂直纖維方向打磨時相似，適宜的磨頭轉速同樣為2 250 r/min和3 000 r/min，磨頭轉速較慢或較快都會使打磨質量變差，但是可以明顯發(fā)現平行纖維方向打磨時的表面粗糙度更高，且表面粗糙度波動更大，這是因為在打磨過程中，平行纖維方向打磨與垂直纖維方向打磨采用相同的推進力,但平行纖維方向打磨時,行進方向所受阻力小于垂直纖維方向打磨，導致平行打磨行進速度過快，磨削不充分，因而打磨質量較低。

圖8 不同金剛砂及磨頭轉速下平行纖維方向打磨時的表面粗糙度

2.1.3 [0°/90°]16s鋪層打磨質量

[0°/90°]16s鋪層碳纖維層合板打磨表面形貌及3D形貌見圖9所示。

圖9 [0°/90°]16s鋪層打磨表面形貌及3D形貌

從圖9可以看出，打磨頭金剛砂為240目，磨頭轉速為2 250 r/min時，0°鋪層垂直于纖維方向打磨后的表面粗糙度為1.7 μm，90°鋪層平行于纖維方向打磨后的表面粗糙度為1.8 μm，垂直纖維方向打磨略優(yōu)于平行纖維方向，且打磨質量穩(wěn)定。因此，對于[0°/90°]16s鋪層碳纖維層合板，在了解層合板總厚度及鋪層方式、鋪層數量的情況下，通過計算出每個鋪層的深度位置，并借助于工業(yè)機器人的高精準度，可控制打磨到需要的鋪層，這是工業(yè)碳纖維層合板去損的基礎。

2.2 力學性能

為了探究合適的打磨階梯工藝，采用與層合板相同的碳纖維預浸料固化工藝、修補工藝對四階梯和八階梯打磨后的0°鋪層、[0°/90°]16s鋪層碳纖維層合板進行修補，并對得到的層合板修補件進行拉伸實驗。

從圖10可以看出，四階梯和八階梯打磨后的0°鋪層碳纖維層合板修補件所能承受的最大載荷分別為35 kN、45 kN，四階梯和八階梯打磨后的[0°/90°]16s鋪層碳纖維層合板修補件所能承受的最大載荷分別為26 kN、31 kN。

圖10 碳纖維層合板修補件的拉伸位移-載荷曲線

這說明無論是0°鋪層還是[0°/90°]16s鋪層，八階梯打磨后的碳纖維層合板修補件的拉伸性能均比四階梯打磨更更加優(yōu)異。這是因為八層階梯打磨修補相比于四層階梯打磨修補，在相同搭接長度時，碳纖維補片與碳纖維基體搭接面積相同，而每個階梯碳纖維修補層厚度更小，碳纖維層間接觸面積有效增加；在受到拉伸載荷時，八階梯修補能更好將各層碳纖維中受到應力分散，直至應力增大到碳纖維基體與補片發(fā)生破壞，此時補片與碳纖維分離，得到碳纖維修補試樣的最大載荷。故在碳纖維層合板的損傷去除工藝中，階梯狀打磨時可適當增加階梯層數，來提高修補后的構件強度。

3 結論

a.在工業(yè)機器人機械臂使用相同的推進力的情況下，0°鋪層碳纖維層合板垂直纖維方向打磨的質量要優(yōu)于平行纖維方向打磨的質量，適宜的磨頭轉速為2 250～3 000 r/min，此時表面粗糙度可控制在1.5～2.3 μm，修復膠接強度更好。

b.0°鋪層碳纖維層合板四階梯、八階梯打磨修補件所能承受的最大載荷分別為35 kN、45 kN；[0°/90°]16s鋪層碳纖維層合板四階梯、八階梯打磨修補件所能承受最大載荷分別為26 kN、31 kN。無論是0°鋪層還是[0°/90°]16s鋪層，八階梯打磨修補件的拉伸性能均比四階梯打磨修補件更加優(yōu)異，可通過適當增加階梯數提高修補件力學性能。

c.對于[0°/90°]16s鋪層碳纖維層合板，在了解鋪層順序及具體厚度的情況下，使用工業(yè)機器人可精準控制打磨到需要的鋪層面。