CFRPs電火花加工熱影響區(qū)抑制方法

趙一錦，耿家寶，楊曉冬

哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150001

碳纖維增強樹脂基復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRPs)是以碳纖維為增強材料，以環(huán)氧樹脂為基體的新型復合材料。相比于傳統(tǒng)金屬材料，CFRPs具有比強度高、比模量高、密度小、抗疲勞特性好、抗震性好、可設計性強、高溫性能好、成型性好等優(yōu)勢，被廣泛地應用于航空航天、體育器材、房屋建筑、汽車設備等領域作為結構材料使用，如應用于衛(wèi)星結構、運載火箭、精密支撐結構件、空間站大型結構桁架和太陽能電池機架等。

近年來，隨著CFRPs在航空航天領域的應用日益廣泛，對CFRPs成型件的要求也越來越高，CFRPs二次加工的需求隨之增大。復合材料成型后，通常要與其他結構進行連接，由于機械連接具有可拆卸性，并具有良好的抗疲勞性能，所以CFRPs成型件中應用最為廣泛的是以螺栓為代表的機械連接，因此CFRPs二次加工中多為制孔。但是由于CFRPs具有層間剪切強度低、抗剝離性能差等特點，致使CFRPs的孔加工存在很大困難，制孔的報廢率達到了60%以上。據(jù)統(tǒng)計，航空航天飛行器中60%～80%的破壞都發(fā)生在連接部位。這表明對于CFRPs結構件來說，高質量高效率的制孔加工尤為重要。

目前較多采用的是用傳統(tǒng)鉆削加工方式對CFRPs進行孔加工，但是由于CFRPs材料硬度極高，對刀具的要求很高，刀具磨損嚴重。同時，由于加工過程中存在切削作用力與切削熱，加工后會產(chǎn)生分層、毛刺、撕裂與熱影響區(qū)等問題。針對傳統(tǒng)切削加工CFRPs材料存在的問題，利用非機械能的特種加工方法也被用于CFRPs加工，如激光加工、水射流加工與電火花加工等。但激光加工通常會產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)。水射流加工由于存在加工作用力，會產(chǎn)生分層、錐度孔等缺陷，激光加工及水射流加工均存在局限，需要進一步改進。

電火花加工(Electrical Discharge Machining,EDM)利用電腐蝕現(xiàn)象對材料進行加工，為非接觸式加工，特別適用于機械切削加工難以勝任的高硬度、高強度、高熔點、高韌性、高脆性等特殊材料的加工。有關電火花加工CFRPs的研究得到了眾多研究者的關注。Lau等研究了電火花加工CFRPs的可行性，得到了銅電極在電極損耗方面優(yōu)于石墨電極的結論；Park等對CFRPs與金屬材料的微細電火花加工特性進行了比較，觀察到CFRPs電火花加工時存在較大的入口損傷；Ito等、Mimma等、何振豐對CFRPs電火花線切割加工特性進行了研究；Akematsu等使用RC脈沖電源對CFRPs進行電火花孔加工，分析了加工參數(shù)對放電能量的影響；Habib和Okada、Ichii等使用晶體管脈沖電源對CFRPs進行盲孔加工，研究加工參數(shù)對加工速度、電極損耗與表面質量的影響；Ahmad等、Lodhi等、Korlos等對CFRPs通孔加工進行研究，分析了放電參數(shù)(放電電流、開路電壓、脈沖寬度、脈沖間隔和電極轉速)對電火花加工CFRPs材料去除率、電極磨損率及表面質量的影響；Kumar等、Teicher等使用碳化鎢電極對CFRPs進行微孔加工，分析了加工參數(shù)對加工質量的影響；楊曉冬和黃瀟南對CFRPs電火花加工的放電凹坑進行了研究；張俊清等提出一種高速電火花穿孔加工方法，通過專用夾具將加工中產(chǎn)生的有害粉塵集中收集，為CFRPs高效、低成本、綠色加工提供了一種新途徑；Yue等、Ito等對CFRPs的放電蝕除機理進行了研究。

以上研究均顯示出CFRPs電火花加工表面存在明顯的熱影響區(qū)，這導致熱分解溫度低的樹脂材料先被蝕除，而失去樹脂支撐的碳纖維則發(fā)生裸露和翹曲等，從而在放電過程中容易引起拉弧，并影響表面質量。研究表明放電參數(shù)(如放電電流、開路電壓、脈沖寬度和脈沖間隔)和工具電極材料及電極轉速等都對熱影響區(qū)有影響。此外，對于電火花加工來說，脈沖電源是影響其加工性能的重要因素，電火花加工的脈沖電源主要有2種類型，分別為晶體管脈沖電源和張弛式RC脈沖電源，Gotoh等對比研究了晶體管脈沖電源和RC脈沖電源電火花加工CFRPs的熱影響區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)，相比于晶體管脈沖電源，RC脈沖電源可獲得較小的熱影響區(qū)。這是由于RC脈沖電源在極間擊穿的瞬間產(chǎn)生較大的峰值放電電流，之后迅速結束放電，放電時間很短，因此產(chǎn)生的熱影響區(qū)較小。但RC脈沖電源的放電能量難以控制，且放電狀態(tài)受極間狀態(tài)影響較大，尤其是電火花加工CFRPs時，作為放電屑被蝕除的碳纖維具有較大的尺寸，如果沒有及時將其從極間排出則容易引起短路和拉弧等，特別容易陷入不穩(wěn)定的放電狀態(tài)。相比于RC脈沖電源，晶體管脈沖電源具有放電能量可控、不受極間狀態(tài)影響等特點，因此可以認為晶體管脈沖電源更適合用于CFRPs材料的電火花加工。但是，在脈沖放電能量相同的條件下，如何減小晶體管脈沖電源電火花加工CFRPs的熱影響區(qū)，以得到高質量的CFRPs電火花加工表面，目前尚未見有相關的研究報導。

不同的脈沖電源類型及不同的放電參數(shù)組合意味著不同的放電能量施加方式，進而對熱影響區(qū)產(chǎn)生影響。以晶體管脈沖電源為研究對象，為抑制該電源在加工CFRPs時產(chǎn)生的熱影響區(qū)，首先通過電火花加工CFRPs的溫度場仿真計算，明確能量施加方式對電火花加工CFRPs熱影響區(qū)的影響；進而晶體管脈沖電源條件下的能量施加方式對熱影響區(qū)的影響進行實驗研究，分析不同放電極性對熱影響區(qū)的影響。

1 CFRPs熱影響區(qū)建模與仿真

電火花加工為熱加工，利用工具和工件(正、負電極)之間脈沖性火花放電時電腐蝕產(chǎn)生的瞬時電熱作用來實現(xiàn)對材料的蝕除，其加工特性主要取決于材料的熱學性能(如熔沸點、比熱容、熱導率)和電氣性能(如電阻率)。CFRPs由碳纖維、環(huán)氧樹脂2種材料復合而成，具有非均質性和各向異性等特性，導致了CFRPs完全不同于金屬的放電蝕除機理和放電特性，其蝕除形式包括碳纖維和環(huán)氧樹脂的高溫氧化去除、熱分解去除和汽化去除，所形成的大量高速的氣狀噴流沖擊放電點處的碳纖維束，使碳纖維斷裂進而被拋入極間形成較長的碳纖維蝕除屑。并且，碳纖維熱分解時，溫度低的樹脂材料先被蝕除，失去樹脂支撐的碳纖維則發(fā)生裸露和翹曲，在放電過程中容易引起拉弧，進而影響表面質量。因此，需要明確CFRPs電火花加工的溫度場分布及其影響因素。

1.1 仿真模型

如圖1所示，在CFRPs的實際制作過程中，首先將單根碳纖維通過編織工藝編織成碳纖維布，然后將多層碳纖維布與樹脂材料通過一定的成型工藝固化成型為一體。

圖1 材料模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of material model

在CFRPs制作過程中，通常碳纖維之間被環(huán)氧樹脂隔離，盡管碳纖維材料具有一定導電性，但是環(huán)氧樹脂屬于絕緣材料，因此理論上CFRPs呈現(xiàn)電絕緣狀態(tài)，但是在實際中，CFRPs具有一定的導電性。這說明在制作CFRPs過程中，由于制作工藝等原因，CFRPs內部的碳纖維并未完全被環(huán)氧樹脂隔離，而是相互接觸，從而使CFRPs呈現(xiàn)一定的導電性。因此，如圖2所示，本文將實際中的CFRPs材料簡化成直徑為8 μm的碳纖維均勻分布并相互接觸，碳纖維與碳纖維之間的空隙均勻填充環(huán)氧樹脂材料。如圖2(a)所示所建模型長200 μm、寬400 μm、高200 μm。放電發(fā)生在垂直碳纖維編織平面，由于CFRPs為高阻材料，在溫度場計算中不僅考慮來自放電通道的表面熱源，還要考慮由放電電流引起的焦耳熱。仿真邊界條件如圖2(b)所示，電流密度與熱流密度作用在該區(qū)域，其中電流密度被認為均勻分布在能量輸入?yún)^(qū)域，熱流密度通過高斯熱源來模擬。模型底面設置為零電勢(=0)。同時，為簡化仿真模型，除能量輸入?yún)^(qū)域外，其他區(qū)域均被認為絕緣絕熱。材料的相關屬性如表1所示。在仿真中，考慮CFRPs材料各向異性，碳纖維軸向、徑向的熱導率分別取50、5 W·m·K。

圖2 仿真模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of simulation model

表1 CFRPSs材料屬性[26] Table 1 Material properties used for simulation[26]

放電通道的熱流密度為

(1)

式中：為距離放電通道中心的距離,m；(,)為時刻位置處的熱流密度,W·m；()為時刻放電通道中心處的最大熱流密度,W·m；為熱源集中系數(shù)，取4.5；()為等離子通道直徑，通過高速攝像機觀測到仿真條件下等離子通道直徑約為120 μm。

一次放電分配到工件上的放電能量為

(2)

式中：為分配到工件上的能量百分比，取0.4；()為極間放電電壓，取()=25 V。根據(jù)式(2)，可求得高斯熱源中心處的熱流密度的表達式為

(3)

如圖2(b)所示，放電電流以均勻分布的電流密度作用于放電通道作用區(qū)域內，計算公式為

(4)

式中：()為放電電流，A。

1.2 仿真結果

如表2所示仿真條件，本研究采用相同的單脈沖放電能量(單個脈沖能量大小為=()()=3×10J)、但通過不同的放電電流和脈沖寬度組合，得到不同的放電功率，分別在低功率能量輸入方式(放電電流2 A、脈沖寬度60 μs)與高功率能量施加方式(放電電流8 A、脈沖寬度15 μs)下對工件材料溫度場分布和熱影響區(qū)進行模擬。

表2 仿真條件Table 2 Simulation conditions

Negarestani等在空氣中CFRPs的熱重分析結果可知，當CFRPs溫度超過1 150 K時，碳纖維可被氧化成為CO/CO，因此當溫度高于1 150 K時，碳纖維發(fā)生去除。圖3(a)、圖3(b)分別為在低功率能量輸入方式與高功率能量施加方式下的溫度場分布仿真結果。

圖3 溫度場仿真結果Fig.3 Temperature field simulation results

圖3中1 150 K等溫線內部材料高于碳纖維氧化點(1 150 K)和樹脂材料的熱分解點(693 K)，可以認為該區(qū)域材料全部被蝕除，即該區(qū)域為蝕除區(qū)域。白色實線表示693 K等溫線，由于該部分高于樹脂材料的熱分解溫度(693 K)，但低于碳纖維氧化點，因此可認為該部分的樹脂被去除，而碳纖維殘留，從而造成纖維裸露，可認為1 150 K等溫線和693 K等溫線之間的區(qū)域為熱影響區(qū)。熱影響區(qū)在平行碳纖維方向較大，垂直碳纖維方向較小。如圖3所示，低功率能量輸入方式下，放電表面平行碳纖維方向和垂直碳纖維方向的熱影響區(qū)厚度分別為31、19 μm，深度方向熱影響區(qū)厚度為8 μm；高功率能量輸入方式下，放電表面平行碳纖維方向和垂直碳纖維方向的熱影響區(qū)厚度分別為15、11 μm，深度方向熱影響區(qū)厚度為3 μm?？梢?，在單次放電能量相同的條件下，高功率放電能量(較大電流，較小脈寬)有利于減小熱影響區(qū)。熱影響區(qū)中由于缺少環(huán)氧樹脂支撐，導致碳纖維裸露。裸露的碳纖維易引起短路和拉弧。熱影響區(qū)越大，裸露的碳纖維越多越長，表面加工質量越差。

仿真結果還發(fā)現(xiàn)，低功率能量輸入方式下蝕除區(qū)域體積為7.581×10μm，高功率能量輸入方式下蝕除區(qū)域體積為1.109×10μm。這是由于在高功率能量輸入方式下，放電電流更高，放電過程中產(chǎn)生的焦耳熱大，有利于提高材料的蝕除速度。

2 實驗方法

2.1 實驗裝置

利用圖4所示的自制電火花加工裝置進行CFRPs通孔加工實驗。軸采用交流伺服電機驅動，進給精度為1 μm，電源為晶體管脈沖電源。工具電極通過絕緣陶瓷薄壁套筒裝夾在電主軸的夾頭上(NAKANISHI BM-320)，電主軸最高轉速可達80 000 r·min，主軸回轉精度為1 μm，本實驗中使用5 000 r·min的轉速。

圖4 實驗裝置Fig.4 Experimental setup

首先以煤油為工作介質進行實驗研究，結果發(fā)現(xiàn)無論是正極性加工還是負極性加工，都出現(xiàn)了嚴重的積碳現(xiàn)象，如圖5所示。因此，采用去離子水為工作介質，采用浸液和沖液組合的方式，用過濾循環(huán)系統(tǒng)對工作液槽中的去離子水進行實時過濾，同時在加工過程中利用噴嘴對準加工區(qū)域以一定壓力進行沖液，以及時將放電蝕除的碳纖維從極間排除。

圖5 煤油介質加工中積碳現(xiàn)象Fig.5 Carbon deposition in kerosene media processing

工具電極為?6 mm的銅棒，在進行電火花孔加工之前，先利用材料為鎢的塊電極對工具電極的外徑和放電端面進行放電磨削，以去除電極安裝偏心，并加工到需要的直徑尺寸，加工后的銅電極尺寸為?5 mm，通過對電極底面的磨削保證其底面的平整度。

實驗中使用的CFRPs工件材料厚度1 mm，其性能參數(shù)如表3所示。

為防止電火花加工通孔結束前孔出口處裸露的碳纖維帶來的表面損傷，如圖6所示在片狀CFRPs工件兩側各用1片厚度為1 mm的塞尺夾緊，塞尺上預留直徑為6 mm的定位孔，2片塞尺上的孔對齊，該孔位為電火花孔加工位置。

表3 加工材料CFRPs性能參數(shù)Table 3 Properties of CFRPs

圖6 工件夾持方式Fig.6 Workpiece-holding method

每組加工條件下進行4次通孔加工實驗，加工結束后，使用CCD對工件表面的熱影響區(qū)進行測量，通過測量加工前后工件質量和加工時間計算加工速度。

2.2 實驗條件

電火花加工的電參數(shù)包括開路電壓、脈沖寬度、脈沖間隔、放電電流和加工極性等。一次放電能量為極間放電電壓和放電電流的乘積在放電持續(xù)時間內的積分。晶體管脈沖電源情況下，極間放電電壓為確定的放電維持電壓值，如果忽略放電延遲時間的影響，單脈沖放電能量近似等于放電維持電壓、放電電流和脈沖寬度的乘積。保證單次放電能量相同的條件下，分別采用不同的放電功率進行對比實驗。加工條件如表4、圖7所示。分別采用4組不同的放電電流與脈沖寬度組合方式，單脈沖放電能量均為3×10J，從能量施加方式1到能量施加方式4，放電功率依次增加。脈沖間隔時間分別取為不同的值，以保證脈沖周期均為100 μs，即保證單位時間的放電次數(shù)相同。

表4 實驗加工參數(shù)Table 4 Experimental processing parameters

圖7 能量施加方式Fig.7 Energy application method

3 實驗結果及分析

3.1 能量施加方式的影響

圖8所示為不同能量施加方式條件下(為放電電流，為脈沖寬度)電火花加工得到的孔入口和出口側照片。由圖可知，利用電火花加工對CFRPs進行孔加工，所得到的孔圓整，但在孔入口、出口側會產(chǎn)生不同程度的熱影響區(qū)，這導致了不同的加工表面質量。

電火花加工產(chǎn)生的熱影響區(qū)如圖9所示，可知在熱影響區(qū)內，由于樹脂受熱被去除，造成碳纖維殘留裸露。但是，由于電火花加工為非接觸加工，不存在切削作用力，因此不存在CFRPs鉆削加工的毛刺、崩邊和撕裂等損傷，碳纖維的去除形式主要為高溫蒸發(fā)去除、氧化去除和受高溫高壓去除材料的噴氣作用折斷去除。

圖8 不同能量施加方式下的熱影響區(qū)Fig.8 Observation of heat affected zone under different energy application methods

圖9 加工孔周圍熱影響區(qū)Fig.9 Heat affected zone around machined hole

如圖10所示，測量加工孔直徑，以加工孔的圓心為圓心，將能包含全部熱影響區(qū)域的最小圓直徑定義為熱影響區(qū)直徑。采用熱影響區(qū)表征系數(shù)HAZ進行熱影響區(qū)的評價，計算公式為

(5)

每組加工條件分別進行4次加工實驗，測量后得到出入口直徑平均值和熱影響區(qū)直徑平均值如表5所示，熱影響區(qū)表征系數(shù)HAZ的平均值如圖11所示。結合表5、圖8、圖11可知，在單個脈沖放電能量相同的情況下，放電功率越大，熱影響區(qū)越小，加工表面質量越好。

圖10 熱影響區(qū)測量示意圖Fig.10 Schematic diagram of HAZ measurement

表5 加工測量結果Table 5 Processing measurement results

圖11 能量施加方式對熱影響區(qū)的影響Fig.11 Influence of energy application method on heat affected zone

其中放電功率最高的能量施加方式4(放電電流8 A，脈沖寬度15 μs)的熱影響區(qū)表征系數(shù)為放電功率最低的能量施加方式1(放電電流2 A，脈沖寬度60 μs)的熱影響區(qū)的81%。放電功率較低時，熱影響區(qū)域較大，該區(qū)域內碳纖維裸露，容易發(fā)生短路和拉弧，此時熱量沿碳纖維方向迅速傳導，導致碳纖維周圍樹脂達到熱分解溫度，進而影響表面質量。而放電功率較高時，熱影響區(qū)域較小，碳纖維裸露少，避免了拉弧和短路的發(fā)生，可得到更好的孔加工表面質量。前文仿真結果雖然針對的是單脈沖放電，但在連續(xù)脈沖條件下，仿真結論也是同樣的，實驗結果與仿真結果一致。

此外還發(fā)現(xiàn)較高放電功率有利于提高加工速度，如圖12所示，這與仿真結果一致。能量施加方式4為放電功率最高的能量施加方式，能量施加方式1為放電功率最低的能量施加方式，能量施加方式4的加工速度為能量施加方式1的1.56倍。對此本文還對加工過程中工具電極與工件之間的放電電壓和放電電流波形進行觀測，不同能量施加方式下的典型放電波形對比如圖13所示。正常放電時，由于每次放電結束之后會經(jīng)歷一次極間介質的絕緣恢復，工具電極和工件之間的電壓也會在每次放電結束之后恢復到較高的開路電壓；而如果短路和拉弧狀態(tài)較多、放電狀態(tài)不好時，則每次放電結束后極間不能正?；謴徒^緣，工具電極和工件之間的電壓也不能恢復到較高的開路電壓。正常放電次數(shù)多意味著有效放電次數(shù)多，有利于提高加工速度。而短路和拉弧是電火花加工需要避免發(fā)生的狀態(tài)，該狀態(tài)下不僅使加工速度變慢，而且使加工表面質量變差。由圖13可知，在較小放電功率的能量施加方式下，正常放電波形較少，短路和拉弧狀態(tài)較多，加工過程中可發(fā)現(xiàn)極間經(jīng)常發(fā)出持續(xù)時間較長的火光，拉弧現(xiàn)象明顯，這不僅導致工具電極頻繁回退，加工速度慢，還進而加劇了加工表面的熱影響區(qū)。而在較大放電功率的能量施加方式下，多為正常放電波形，有效放電次數(shù)多，因此獲得了較高的加工速度。

圖12 能量施加方式對加工速度的影響Fig.12 Effect of energy application method on processing speed

1—電壓波形；2—電流波形圖13 放電波形的觀測結果Fig.13 Discharge waveform diagram

3.2 加工極性的影響

在如表6所示的加工條件下，改變電火花加工過程中的加工極性，觀察不同加工極性下加工表面的熱影響區(qū)。

表6 實驗加工參數(shù)Table 6 Experimental processing parameters

由圖14可知，相比于負極性加工，正極性加工的熱影響區(qū)較小。這是由于分配給正極的放電能量要大于負極，因此正極性加工速度要遠高于負極性加工。較短的加工時間有利于減小熱量的累積，從而減小熱影響區(qū)。

圖14 不同極性加工條件下的熱影響區(qū)Fig.14 Heat affected zone under different polarity processing

4 結 論

1) 在單個放電脈沖能量相同的情況下，相比于低功率的能量施加方式，高功率的能量施加方式能有效抑制熱影響區(qū)大小，并可提高加工速度。

2) 相比于負極性加工，正極性加工有利于減小熱影響區(qū)，且可加快加工速度。

受實驗中所使用的脈沖電源參數(shù)選擇范圍的局限，脈沖寬度未能達到足夠小，放電電流未能達到足夠大，因此，雖然在保證單個脈沖放電能量相同的前提下，通過對脈沖寬度和放電電流進行不同的組合，即通過改變不同的能量施加方式使熱影響區(qū)得到了有效抑制，但仍存在較明顯的熱影響區(qū)。在今后的研究工作中，將通過對脈沖電源進行改進，進一步減小脈沖寬度并提高放電電流，實現(xiàn)單個脈沖放電能量的瞬間快速施加，從而獲得足夠大的放電功率，則有望實現(xiàn)無熱影響區(qū)的CFRPs電火花加工。