碳纖維環氧基復合材料鏜桿的設計與優化

郭海偉 陳占清 王一麥 邵海磊 李 璐

(①中國礦業大學深部巖土國家重點實驗室，江蘇徐州221116；②鄭州四維特種材料有限責任公司，河南鄭州450001)

由于金屬材料的低動態剛度和低固有頻率,傳統金屬鏜桿在進行高速深孔鏜孔操作時經常會發生顫振,這種振動是一種在金屬切削中可能發生的自激振動,當切屑寬度相對于系統動態剛度過大或鏜桿的旋轉速度接近固有頻率時就會發生[1-3].振動會引起例如精度不夠、效率低、加速刀具損耗以及產生噪聲等問題.傳統金屬已經難以滿足零部件高強度、高剛度和小振動的要求,從材料和結構上尋找突破口是解決此類問題的重要途徑[4-8].碳纖維增強復合材料具有高強高模、密度小、高阻尼等特點,與金屬材料相比,復合材料鏜桿有助于更有效地減小切削加工中的振動和顫振,這是因為分散的纖維之間的聚合物結合劑能有效地衰減振動能量,并將其轉化為低水平的熱量.因此,本文從設計出發,探討了復合材料鏜桿的制備及成型工藝,并對其相關性能進行了研究.

1 復合材料鏜桿結構設計

本文設計的復合材料鏜桿結構如圖1所示,長度為8 m,外徑為220 mm,由于采用兩點支撐形式,即鏜桿一端固定,中間設有支撐以提高鏜桿切削的精確度,因此有效工作長度為總長度的40%.鏜桿呈空心管狀,內部粘貼橡膠.鏜桿主體采用碳纖維增強樹脂基復合材料,鏜桿內部添加減振橡膠.減振橡膠與深孔鏜桿用環氧粘結劑粘結.刀架的法蘭盤與深孔鏜桿也使用環氧粘合劑粘結,環氧粘合劑層同時可起到減振作用.考慮到粘結可能發生的強度不夠,與裝卡機械性連接方式并用.

該復合材料鏜桿的結構設計綜合應用了動力減振與阻尼減振原理[2].鏜桿可簡化為一個兩自由度有阻尼受迫振動系統,空心管狀的碳纖維復合材料層為鏜桿的主系統,減振橡膠為鏜桿的減振系統.減振橡膠相當于在鏜桿內部加置的一個質量塊,質量塊由密度較大的減振橡膠做成,可以吸收振動能量,減弱鏜桿在切削過程中的振動,增大其動剛度.

2 復合材料鏜桿制備

2.1 原材料選用

復合材料的成分構成與金屬合金有類似之處,我們可以把不同型號的碳纖維、纖維取向和比例,以及不同的樹脂混合在一起,以獲得所需要的材料特性.

本文采用目前拉伸性能較高的T800系列碳纖維為增強體,其加工性能好,價格適中,拉伸強度為5 490 MPa,彈性模量為294 GPa,密度為1 800 kg/m3.采用經過改性的高模量環氧樹脂SW-96作為樹脂基體,由北京航空航天大學和鄭州四維特種材料有限責任公司聯合自主研發,其拉伸強度為96 MPa,彈性模量為4.5 GPa,密度約為1 180 kg/m3,單層板層間剪切強度55 MPa.

2.2 成型工藝

精密鏜桿多為細長桿類回轉體結構,由于模具中真空,樹脂在模具中的流動會導致其中的碳纖維彎曲變形.如果再施加一定的壓力,那么碳纖維的彎曲就會更加嚴重,完全不能發揮碳纖維優異的高強高模性能.為能夠按照鏜桿的受力情況,將纖維按一定規律排布,從而能充分發揮纖維的強度,本文采用干法FW(卷繞)成型工藝,其優點是纖維可在任意角度纏繞,使接受應力的纖維配向變為可能,適用于較大尺寸的回轉體.

2.3 碳纖維鋪層設計

碳纖維增強樹脂基復合材料與傳統的金屬材料不同之處在于,它可通過調整增強纖維的方向,根據特定的方向集中分配材料特性,把這稱作纖維鋪層設計.本文采用圖2順序進行碳纖維環氧基復合材料鏜桿鋪層設計.

3 復合材料鏜桿靜態性能分析

靜剛度與鏜桿的懸伸量、跨距、幾何尺寸、材料的物理性能有關.鏜桿的定位可認為是剛性的裝卡,若不計鏜桿自身重力,其主要受3個方向作用力,即切向力Fc、徑向力Fp和軸向力Ff,如圖3所示.軸向力Ff(吃刀量有關)較小且作用于鏜桿的軸線上,對鏜桿的徑向位移影響甚小；切向力Fc產生扭轉效果及徑向力Fp所產生的彎曲效果,對鏜桿的徑向位移影響較大.

鏜桿的切削過程,影響工件表面加工質量的主要因素是刀具的徑向跳動量,所以在計算時,只考慮切向力Fc和徑向力Fp所引起的鏜桿刀尖處的撓度.

依據《機械加工工藝手冊》內容,可求出鏜桿所受的各個力值:

式中:Kc為單位切削力；f為進給量；ap為背吃刀量；Kr為刀具的主偏角；Fd為垂直于切削刃在基面內的投影分力；μ為前刀面上的摩擦系數(0.3～0.8)；γ0為刀片的前角.這里取Kc＝4 500 N/mm2,f＝0.2 mm/r,ap＝5 mm,Kr＝75°,μ＝0.8. 經計算得鏜桿所受的合力方向為與軸向夾角的55°.

4 復合材料鏜桿有限元分析

4.1 模型建立

根據以上計算得到的纖維鋪層方向設計復合材料鏜桿的鋪層方式,確定了±55°/0°復合材料與±55°/0°復合材料加橡膠減振為模型的兩種方案,對此兩種方案與金屬鏜桿的性能進行對比分析.纖維鋪層設計如圖4所示.對不同厚度的鏜桿分別進行模態分析,其中復合材料鏜桿橡膠層的厚度為6 mm.

在建立有限元分析模型時,由于桿頭與桿尾對結果的影響較小,因此只取鏜桿的桿體部分,同時由于橡膠層與復合材料層之間的粘膠層厚度與前二者相比非常小,可以忽略不計.建立的分析模型如圖5所示.

4.2 靜態分析

根據鏜桿的實際受力情況,得到鏜桿的約束條件為鏜桿的一端A為固定約束,另一端B受Fc、Fp、Ff這3個力的作用,鏜桿的受力模型如圖6所示,施加相同力的情況下,計算得到金屬鏜桿(鏜桿1)、復合材料鏜桿(鏜桿2)、復合材料加橡膠減振鏜桿(鏜桿3)模型的最大位移量分別為:0.328 mm、0.352 mm、0.349 mm.

4.3 模態及諧響應分析

有限元建模與以上相同,在鏜桿與主軸連接端施加全約束,指定頻率范圍為15～35 Hz,提取鏜桿的一階與二階模態,得到其固有頻率值,結果見表1～3.

表2 ±55°/0°鋪層鏜桿(鏜桿2)的固有頻率

由表1～3可知,鏜桿2與鏜桿3的一階與二階固有頻率相差不大,二者的固有頻率大約是鏜桿1的1.5倍,說明鏜桿1的臨界轉速較低,復合材料鏜桿可以提高鏜桿的切削轉速.

表3 ±55°/0°鋪層加橡膠減振鏜桿(鏜桿3)的固有頻率

諧響應分析能夠反映鏜桿抵抗振動的能力,在模態分析的基礎上進行諧響應分析,得到鏜桿2與鏜桿3的諧響應曲線,如圖7所示.從分析結果可以看出,增加了橡膠減振的鏜桿3比鏜桿2的固有頻率稍有提高的基礎上,其振幅卻減小了50%左右,這是由于增加的橡膠增大了鏜桿的阻尼,使其振幅得到了減小.

5 結語

(1)與傳統金屬材料鏜桿相比,碳纖維增強樹脂基復合材料具有高靜強度、高減振和高比剛度的優點,能夠同時改善鏜桿的動態剛度和加工速度,減小鏜桿的重量.

(2)由鏜桿的模態分析可見,鏜桿的一階及二階固有頻率隨著鏜桿壁厚的增加呈現降低的趨勢,復合結構鏜桿的固有頻率明顯高于金屬鏜桿的固有頻率.

(3)從鏜桿的諧響應分析可見,影響鏜桿振動幅值的關鍵在于鏜桿的阻尼的大小.復合材料鏜桿適用于中低載荷的高速切削,金屬鏜桿適用于低速切削.