陶瓷基復(fù)合材料鉆孔出口損傷影響規(guī)律研究*

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)

0 引 言

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(shí)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(bào)廢[7]。

筆者建立了孔加工過程中出口損傷的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停O(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，研究了名義斷裂韌性對孔出口損傷帶來的影響。

1 理論模型

1.1 名義斷裂韌性

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(shí)應(yīng)力；K代表拉伸時(shí)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(shí)，裂紋不擴(kuò)展；當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于斷裂韌性時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展[8]。

如圖1(a)所示，假設(shè)此時(shí)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(shí)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(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子等于斷裂韌性，見下式：

移項(xiàng)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(shí)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 孔出口損傷半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的對象.并且需對在此面積上切削時(shí)產(chǎn)生的力dp進(jìn)行計(jì)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(yàn)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(shí)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(yàn)系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)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(yàn)系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)獲得。

1.2.4 孔出口損傷的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

被加工工件在加工過程中受到外在壓應(yīng)力時(shí)，加工工件的名義斷裂韌性會發(fā)生一定變化。考慮名義斷裂韌性對表征參數(shù)ds的影響時(shí)，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(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

試驗(yàn)加工孔后，取得驗(yàn)證結(jié)果，產(chǎn)生加工經(jīng)驗(yàn)的系數(shù):K=1.879,ξ=0.051 0。得出孔出口損傷的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸綖椋?/p>

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備

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(yàn)驗(yàn)證時(shí)，備用刀具有兩種，分別用φ6 mm和φ3 mm進(jìn)行鉆孔。如圖5，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

在對工件進(jìn)行加工試驗(yàn)時(shí)，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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。因?yàn)閺?fù)合材料具有各向異性和不均勻性的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的離散性，所以每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，取5次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為有效值，則實(shí)驗(yàn)的總數(shù)為35。

3 結(jié)果和討論

圖6是基于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)，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

4 結(jié) 論

提出了名義斷裂韌性的概念，建立了孔出口損傷經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算公式。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式的指導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)公式模型的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值相似度及一致性都達(dá)到理想狀態(tài)，驗(yàn)證了鉆孔出口損傷經(jīng)驗(yàn)公式模型的合理正確性，并且可指導(dǎo)實(shí)際加工過程。

(2) 通過驗(yàn)證，取得了名義斷裂韌性在加工孔時(shí)，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。