纖維增強復合材料磨削制孔加工技術研究分析

馬繼宸

上海飛機制造有限公司 上海 201324

前言

纖維增強復合材料是利用基體與纖維增強體結合而成的一種新型材料,該技術可以借助大量強而脆的纖維來保證材料強度。與傳統材料相比,纖維增強復合材料有更強的比剛度與比強度,其耐腐蝕性更強。在當前纖維增強復合材料應用過程中,磨削制孔加工是其中的關鍵關節,其加工質量關乎該材料的應用效果,值得關注。

1 纖維增強復合材料的磨削制孔加工機制

從加工過程來看,磨削制孔加工的主要特征,就是利用附著在磨具上的小顆粒,利用小顆粒的切削作用清除原材料表面的材料,通過“以磨代鉆”的方法可以有效消除加工刀具對纖維增強復合材料的軸向推擠作用,減少加工過程中設備所產生的扭矩[1]。因此與傳統加工模式相比,纖維增強復合材料在磨削制孔加工中可以進一步提升加工質量。

1.1 切削形成機制

在傳統的材料加工中,主要依托刀具的主切削刃以及橫刃等,在持續高速旋轉狀態下,經剪切以及摩擦等作用清理材料。相比之下,磨削制孔加工中,主要依托工具前端裝置以及圓周表面附著的顆粒在高速旋轉條件下清除材料。通過這種差異可以認為,磨削制孔加工的切削形成機制與傳統工藝相比存在明顯差異。受到切屑的影響,會導致材料表面形成破損,通過了解切削力變化情況來消除加工缺陷。

從磨損制孔加工過程來看,纖維增強復合材料在磨削制孔加工中會在加工作用下被破碎成大量粉末狀材料,例如在電鍍金剛石刀具磨削制孔加工中可以發現,當碳纖維的角度為0°時,纖維增強復合材料的切屑主要以塊型、細長型以及粉末型三種類型為主;而隨著角度的增加,會導致加工過程的切削力發生變化,刀具在垂直作用下會直接切斷碳纖維,尤其是當切削角度達到45°或者135°時,刀具的切削作用會導致碳纖維斷裂,此時在材料加工過程中會產生大量粉末切屑,此時成孔質量不明顯。

1.2 磨削軸向力的影響

磨削軸向力對纖維增強復合材料的加工質量有直接影響,這是因為在原材料切削過程中會導致原材料在分層缺陷下遭受破損,相關學者研究也認為,在磨削制孔過程中,加工過程中的軸向力變化規律成為影響加工效果的重要因素。

而從當前加工技術的發展情況來看,通過構建給進速度的軸向力模型了解纖維增強復合材料加工過程中的軸向力變化情況,最終模型的演變結果顯示,當切削的軸向力低于臨界值時,纖維增強復合材料在磨削期間不會產生分層;或者在加工過程中通過增加刀具的齒數能夠降低最大軸向力[2]。同時不容忽視的是,在纖維增強復合材料加工過程中,可以通過經典板彎曲理論來了解磨削軸向力的受力變化情況,此時不同類型的鉆頭所產生的臨界軸向力會產生明顯變化,其中套料鉆的臨界軸向力最高階梯鉆頭的軸向力最低。

1.3 磨削溫度的影響

從纖維增強復合材料加工過程中可以發現,在不同磨削溫度的影響下,會導致磨削材料的加工溫度發生變化,同時受到材料自身特性的影響,包括磨粒分布位置、纖維的性能差異等方面的不同,會導致磨削區的溫度應力產生變化。針對磨削溫度對纖維增強復合材料加工過程的影響,可以借助溫度模型的方法進行驗算,期間可以按照公式(1)驗算數據。

在公式(1)中,kct代表不同切削溫度下的材料結構應力變化;Cf代表材料的體積含量;kft代表材料平均纖維方向熱導率;ke代表導熱率。

在公式(1)結構的基礎上,通過在切削溫度應力模型的基礎上識別溫度變化對纖維增強復合材料磨削制孔加工效果的影響。在上述模型結構的基礎上可以精準記錄工件在不同工況下的溫度分布情況,根據一般纖維增強復合材料磨削制孔加工過程可以發現,在電鍍金剛石刀具磨削加工過程中,溫度應力的結構會發生明顯變化,最終結果驗證顯示,磨削制孔過程中的出口溫度場呈現出橢圓形特征,并且溫度應力分布呈現出馬鞍形的分布特性,根據該溫度場模型分布方案則可以識別制孔的溫度升溫變化情況,因此最終結果顯示碳纖維分布情況影響制孔溫度變化。

同時纖維增強復合材料加工過程本身會引發一系列溫度應力變化,這是因為磨削出口的溫度受到主軸轉速以及磨粒粒徑等因素的影響,并且隨著軸向給進速度的增加以及磨粒間距增大等因素影響,發現其溫度應力分布出現變化,其相關影響機制表現為:主軸轉速越大對溫度的影響越明顯;同時從磨粒粒徑以及原材料給進速度等因素的影響下,發現材料的溫度模型呈現出不同的空間分布(見圖1)。

圖1 原材料磨削制孔過程中的溫度分布

在上述溫度分布的作用下可以發現隨著磨削制孔轉速增加,會導致制孔出口位置出現嚴重燒傷。

2 纖維增強復合材料加工中的質量缺陷與評價方法

2.1 常見質量缺陷問題

現階段纖維增強復合材料在采用磨削制孔加工之后,常見的質量缺陷主要分為兩種類型,其中一種則是原材料普遍存在的缺陷,包括加工孔的誤差或者位置誤差等,這種類型誤差也是日常加工中的常見類型。另一種則是纖維增強復合材料自身特有的質量缺陷問題,在磨削制孔加工中出現纖維拔出或者分層、撕裂等情況。在上述質量缺陷發生后,會嚴重影響原材料使用年限[3]。

同時纖維增強復合材料加工過程中,金剛石等材料因為具有獨特的加工機制,在纖維增強復合材料磨削制孔中可能出現特殊的質量缺陷,這是因為金剛石在加工過程中往往會因為結構的特殊性而導致制孔口的毛刺現象不明顯,而金剛石顆粒的特殊推擠作用,最終導致制孔周圍發生材料凸出、分層的質量問題。

2.2 評價方法

2.2.1 分層缺陷

纖維增強復合材料的分層缺陷較為常見,該缺陷是指原材料在應力狀態影響下所出現的脫膠斷裂情況,并且這種斷裂現象會導致裂紋沿著不同空間分布進行分布,屬于特殊的失效機制。在纖維增強復合材料磨削制孔期間,分層缺陷主要集中在孔出口位置,表現出典型的分層特征,且隨著軸向力的增加,會使材料的出口位置的分層更明顯。同時在磨削制孔中,雖然“以磨代鉆”的加工方法可以抑制分層缺陷的發生。在這種情況下,通過構建分層軸向力模板可以評估其分層應力變化情況,在數據計算中,借助數學解析的方法判斷可能出現的分層缺陷,最終研究結果顯示,在采用金剛石套料鉆等磨削制孔方法后,纖維增強復合材料的分層缺陷主要沿著纖維方向擴展。

2.2.2 毛刺與撕裂缺陷

纖維增強復合材料的毛刺與撕裂質量問題較為常見,是原材料常見的加工質量問題,例如此類缺陷主要集中在材料的下表面的纖維鋪層位置,在磨削制孔加工過程中,刀具的鋒利性下降本身會影響正常的原材料打磨過程,并且在鉆削過程中所產生的軸向力會大于材料極限強度,受到這一特殊受力狀況的影響,會導致材料構件裝配精度,此時在磨削制孔中,因為模具與纖維增強復合材料的表面上存在大量磨粒,此時磨粒的運動變化過程會呈現出螺旋式的變化過程,尤其是在切削材料后發生大量微小裂紋,裂紋受到螺旋給進運動的影響,在這一運動作用機制下會造成大范圍的撕裂或者毛刺質量問題。所以在質量缺陷評價中,通過了解原材料的撕裂與毛刺質量缺陷的發生機制,可以為進一步優化刀具設計方案提供支持。

而在上述質量缺陷評價中,大量研究證明纖維增強復合材料的平均撕裂長度與軸向力之間存在密切關系,在不同評價方法中,則可以借助比長度法或者比面積法來觀察材料的毛刺與撕裂缺陷變化狀態,如通過對比不同工況下磨削制孔中毛刺與撕裂長度變化情況,根據長度或者面積變化結果作出判斷。

2.2.3 孔壁表面粗糙度

在當前纖維增強復合材料等材料加工過程中,材料孔壁質量影響最終加工效果,也是影響結構強度以及疲勞壽命的重要因素。在加工過程中,纖維方向會在磨削制孔的結構過程中出現結構破壞,最終影響了表面加工效果,尤其是孔壁表面粗糙度越高,則這種磨損變化表現得越明顯。

從磨損評估的角度來看,不同孔壁表面粗糙度對最終加工效果有直接影響,例如在評價方案中,借助測量劃切力以及和聲發射的劃痕實驗方法可以觀察原材料表面性能指標變化,受不同孔壁表面粗糙度的影響,隨著粗糙度的增加,當纖維方向與刀具之間的角度為銳角時,則可以發現纖維鋸齒表面發生嚴重開裂,證明兩者之間存在相關性。

3 磨削制孔加工的質量管理方法

影響纖維增強復合材料磨削制孔影響因素是多方面的,在加工過程中需要工作人員認識到不同因素加工質量的影響并形成預防措施,這樣才能提升加工質量。

3.1 纖維方向對磨削加工質量的影響

對于纖維增強復合材料而言,在磨削制孔加工過程中,纖維材料的分布本身具有明顯的方向性特征,并且受到纖維加工角度等因素的影響,在0°-90°的范圍內,隨著角度的增加,纖維方向對最終加工質量的影響越明顯[4]。

從現有研究可以發現,孔壁粗糙度與纖維方向之間存在密切關系,檢測結果顯示當纖維切削角度從0°-45°增長時,可以發現其表面粗糙度不斷上升;而當角度從45°向90°增加過程中,孔壁粗糙度減小,最終檢測結果顯示,當角度達到45°時,纖維材料的粗糙度達到峰值,并且在粗糙度水平提升過程中,孔壁表面的粗糙度分布更加明顯。從現有的研究結果來看,在磨削制孔加工環節,在使用8mm的金剛石套料鉆對纖維增強復合材料進行磨削制孔后,在磨削過程中無論有無超聲輔助加工,纖維角度都會影響材料表面的粗糙度水平,這已經成為當前加工過程中不容忽視的問題。

同時不容忽視的是,纖維增強復合材料本身具有很強的向異性特征,在這一作用機制的影響下會導致纖維承受不同的剪切作用,尤其是在材料的“逆剪”以及“順剪”方向下,會導致其整體結構出現明顯變化,例如在“順剪”位置上,采取磨削制孔加工方法后,該區域會出現嚴重的纖維拔出或者撕裂等質量問題;而相比之下,“逆剪”區域下表面材料的狀況良好,幾乎無毛刺等問題。除此之外,孔壁的粗糙程度成為影響加工質量的重要因素,這是因為在隨著纖維切削方向的變化,會導致材料表面粗糙度發生變化,當角度達到45°時,表面粗糙度達到最高值,彩標孔壁表面粗糙度則嚴格按照軸向空間做水平分布。

3.2 磨削參數

從磨削參數對纖維增強復合材料磨削制孔加工過程的影響中可以發現,在當前磨削制孔中需要考慮原材料給進速度、套料鉆壁厚度等因素的影響,在選擇磨削參數期間,應圍繞質量管理要求確定加工磨削的數據規范。例如在金剛石套料鉆磨削制孔加工中,通過正交列陣的計算方法判斷鉆孔參數對纖維增強復合材料粗糙度的影響后,最終研究數據顯示,通過嚴格控制給進速度并盡可能地縮小鉆壁厚度有助于改善加工材料的粗糙度。同時在相關研究中也發現,軸向力與主軸轉速之間存在負相關關系,但是隨著給進速度不斷增加,則軸向力也會有明顯提升,所以在制定磨削參數過程中,可以采用高主軸轉速與低給進轉速相互結合的方法,這種磨削制孔加工方法的主要優點,就是可以降低軸向力并降低磨削過程中發生分層缺陷的風險,有助于提升磨削制孔加工效果。但是同時不容忽視的是,并非給進速度越低磨削制孔的加工效果越好,所以在具體操作中應進一步探索不同磨削參數對最終加工效果的影響,例如通過5mm電鍍金剛石鉆磨刀具做磨削制孔后,在綜合主軸給進速度等因素對制孔質量的影響后,最終數據顯示,當設備的給進速度達到25mm/min,主軸轉速為10000m/min時,材料的加工效果越好;而在采用小口徑鉆孔加工時,應采用低給進的加工方法,即將給進速度控制在0.01mm/r時,原材料的加工質量滿意,并且不容忽視的是,隨進給速度、主軸轉速的增加孔壁內部的分層損傷越發明顯,但當主軸轉速增加到一定時,反而會抑制分層缺陷在孔壁內部的擴展[5]。造成這一現象的原因可能為:在磨削結構過程中,材料的去除率維持不變,但是隨著主軸長度的增加,金剛石磨粒有效長度有明顯增加,最終導致原材料出現軸向力以及切削深度下降的現象。

因此可以認為,纖維增強復合材料在磨削制孔期間,其制孔效果與主軸轉速之間存在密切關系,并且磨削參數對最終加工效果的印象不容忽視,因此在加工生產過程中,應深入了解磨削制孔的技術要求,經該工藝加工后纖維增強復合材料的磨削制孔滿足質量控制規范。

4 結束語

在當前纖維增強復合材料的磨削制孔加工中,影響加工質量的因素是多方面的,因此為了能夠保證材料加工質量,相關人員應深入了解孔壁表面粗糙度等質量問題對最終加工結果的影響,借助多樣化的評估計算方法正確評估不同方法對加工質量的影響,最終有效消除潛在加工質量缺陷,并將其作為提升纖維增強復合材料加工效果的突破口,并且在加工中通過正確調節纖維方向等措施可以保障磨削制孔加工效果,具有可行性。