碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料電火花加工溫度場仿真及材料蝕除機(jī)理研究

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]驗證了CFRP電火花加工的可行性。Habib等[9]采用SKD11工具鋼作對比，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)象對電火花加工CFRP的影響，發(fā)現(xiàn)翹起的碳纖維會導(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；……