超聲振動輔助磨削CFRP復合材料薄管撕裂損傷研究

摘要：針對碳纖維增強復合材料（CFRP）薄管超聲振動輔助磨削過程中存在撕裂損傷且形成原因不明確的問題，通過對M55J和T300復合材料薄管開展超聲振動輔助磨削試驗，探究了超聲振幅、進給量及主軸轉速對磨削力和撕裂尺寸的影響規律，通過對磨削過程的受力分析和對最大未變形切屑厚度的計算，分析了撕裂位置的形成原因和撕裂尺寸的變化規律。結果表明：磨削力隨超聲振幅的增大而減小，隨進給量的增大而增大，與主軸轉速的關聯性較??；撕裂易出現于CFRP薄管內壁，其長度與高度隨超聲振幅的增大而減小，隨進給量的增大而增大，隨主軸轉速的增大而減小。

關鍵詞：碳纖維增強復合材料；薄管；超聲振動輔助磨削；磨削力；撕裂

中圖分類號：TB332

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.03.014

0引言

碳纖維增強復合材料（carbonfiberreinforcedpolymer，CFRP）是以碳纖維或碳纖維織物為增強相，以環氧樹脂、聚乙烯等樹脂為基體的復合材料［1］。碳纖維復合材料結構件和零部件通常采用磨削加工來制備［2］，具有疲勞壽命長、極端溫度條件下熱膨脹系數小［3］、質量小、比強度和比剛度高、耐腐蝕和良好的穩定性等優勢［4-5］。其中，CFRP薄管由若干層特定角度的碳纖維預浸料通過卷管成形工藝制成［6］，因其良好的物理性能和輕量化結構設計而應用于管道運輸、壓力容器和觀測衛星［7-8］。將CFRP薄管按特定方式排布可制成陣列復材管構件。陣列復材管具備較高的比剛度和熱穩定性［9］，可應用于航天衛星天線反射面夾層且發展潛力巨大［10］。但陣列復材管夾層構件無法直接成形，需要通過機械加工來獲取與蒙皮粘接所需的尺寸和精度，其待加工表面為CFRP薄管端面。CFRP薄管同時具備CFRP材料各向異性和管狀結構薄壁弱剛性的特點，在其加工過程中碳纖維和基體交替與切削刃接觸，加工表面易出現分層、毛刺和撕裂等多種加工損傷［11］。其中，撕裂為層內損傷，主要表現為纖維基體界面開裂；分層為層間損傷，主要表現為相鄰預浸料層之間的脫粘［12］。

超聲振動輔助磨削加工是一種將振動以超聲頻率附加在刀具或工件上的復合磨削加工方法，超聲振動改變了磨粒相對于工件的運動軌跡，使刀具間歇去除工件材料［13］。超聲振動輔助磨削加工具有材料去除率高和加工表面光整的優勢，是CFRP表面加工的優選方法［14］。加工后的表面粗糙度與超聲振幅、主軸轉速等關系密切，需要進一步研究［15］。作為CFRP超聲振動輔助磨削加工過程中的重要指標，磨削力和加工損傷也得到了眾多學者的廣泛關注［16］。對切削力進行研究，可以更好地控制加工表面質量，延長刀具壽命并提高加工穩定性［17］。對加工損傷進行研究，可以明確CFRP加工過程中分層、撕裂等損傷的形成機理，對其加以控制可以得到較高的表面加工質量［18］。QU等［19］從微觀角度建立了碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料磨削力的力學模型并進行實驗以驗證其可靠性，進一步探究了該材料的加工損傷與加工表面形貌，有望提高該材料的可加工性。HU等［20］探究了多向CFRP的可磨削性，重點討論了切屑的形成、磨削表面特征和磨削力特性，研究發現，多向復合材料的縱向表面粗糙度隨局部纖維取向的變化較大，磨削力隨磨削深度的增加而近似線性增加。NING等［21］對CFRP層合板進行了傳統磨削和超聲振動輔助磨削加工，結果表明，超聲振動輔助磨削的磨削力和扭矩均小于傳統磨削的磨削力和扭矩，主要原因是超聲振動輔助磨削的有效軌跡長度較大，磨粒壓入深度較小。CHEN等［22］開展單因素試驗，研究了纖維切削角和超聲振幅對磨削力和表面質量的影響規律，結果表明，磨削力隨著超聲振幅的增大而減??；超聲振幅的增加可以改善加工表面質量，但纖維切削角在表面形貌中起關鍵作用。LIU等［23］采用脆性斷裂理論方法建立了超聲振動輔助磨削CFRP的切削力模型，研究了工藝參數和刀具參數對磨削力的影響規律。NING等［24］通過無超聲振動和有超聲振動的單磨粒劃擦試驗發現最外層易形成損傷，超聲振動可減小磨削力并有效抑制纖維的拔出與撕裂，認為磨削力的減小是抑制損傷的關鍵。CHEN等［25］探討了超聲輔助磨削加工C/E復合材料時環氧樹脂含量和纖維方向角對磨削溫度的影響，實驗結果表明，沿纖維方向的磨削溫度遠高于反纖維方向的磨削溫度，纖維方向角為90°時磨削溫度達到峰值，為進一步探究纖維方向對磨削力與加工損傷的影響提供了思路。

CFRP薄管超聲振動輔助磨削過程中磨削力和加工損傷可能受到管狀結構特征、刀具和加工參數等因素的綜合影響，但目前對CFRP超聲振動輔助磨削的研究集中于平板構件，相關研究結論若直接應用于CFRP薄管會忽略其薄壁管狀結構對力學性能和加工的影響。本文針對CFRP薄管超聲振動輔助磨削過程中存在撕裂損傷且形成原因不明確的問題，計算宏觀尺度下最大未變形切屑厚度，判斷CFRP薄管形成撕裂位置，并開展M55J和T300復合材料薄管超聲振動輔助磨削對比試驗，研究這兩種碳纖維型號和工藝參數對磨削力和撕裂的影響規律。

1試驗材料及方法

1.1試驗材料

陣列復材管如圖1所示。分別使用M55J和T300碳纖維預浸料通過卷管成形工藝制備的兩種型號CFRP薄管，兩種型號預浸料固化后復合材料單向帶的性能參數見表1。

如圖2所示，CFRP薄管內直徑dw=40mm，管壁厚度t=0.3mm，高度h=70mm。CFRP薄管均由4層預浸料組成，其中碳纖維纏繞方向從內壁到外壁依次為右旋、左旋、右旋、左旋，且碳纖維纏繞角均為45°。

1.2試驗方法

圖3所示為CFRP薄管超聲振動輔助磨削試驗平臺，由平臺主體、超聲振動輔助磨削系統和測力儀組成。平臺主體為北京凝華機床（NHM800）。本試驗采用自行搭建的超聲輔助加工設備進行加工。超聲振動輔助磨削系統由超聲電源、非接觸傳輸裝置和超聲刀柄等組成。超聲電源工作頻率范圍為16～30kHz，本試驗采用的超聲工作頻率為24kHz，超聲刀具為電鍍金剛石砂輪，其直徑為6mm，磨粒粒度為150目，施加的超聲振動方向為刀具軸向。采用Kistler9139AA型壓電晶體測力儀測量軸向力Fx、Fy和Fz。

試驗加工方法如圖4所示，為保證加工過程中刀具與工件相對位置不變，砂輪沿工件徑向切入一定距離后，繞工件圓心順時針方向進給，對工件端面進行超聲振動輔助磨削加工。其中，ae為水平面內砂輪在徑向上切入工件的距離，將其定義為徑向切深；vs為砂輪側面磨粒切削速度，與主軸轉速n成正比；vf為砂輪進給速度；f為進給量，f=vf/n。加工過程中砂輪工件狀態如圖5a所示，由于超聲的作用，單個磨粒運動軌跡類似于正弦曲線，砂輪側面單個磨粒運動軌跡如圖5b所示。其中，ap為砂輪在軸線方向上與工件接觸的長度，將其定義為軸向切深；A為超聲振幅。CFRP薄管超聲振動輔助磨削過程中，砂輪運動包含自身的旋轉運動、沿CFRP薄管切向的進給運動和沿砂輪軸線方向的超聲振動。

為研究工藝參數對兩種CFRP薄管超聲振動輔助磨削撕裂和磨削力的影響規律，在設備加工精度范圍內進行大量試驗研究的基礎上，選取CFRP薄管超聲振動輔助磨削加工試驗參數如下：ap和ae分別固定在2mm和3mm，A的變化范圍為0～6μm，n的變化范圍為3000～6000r/min，f的變化范圍為0.1～0.25mm/r，CFRP薄管超聲振動輔助磨削試驗參數見表2。

CFRP薄管超聲振動輔助磨削過程中切向力Ft和徑向力Fd是兩個重要分量，但因坐標系不重合，測力儀測量得到的是基于機床坐標系的兩個分量Fx和Fy。如圖6所示，在水平面內將測力儀測量數據分解，得到每個時刻CFRP薄管受到的切向力Ft和徑向力Fd，而軸向力Fz與機床坐標系重合，無需分解。完成試驗后，使用MATLAB軟件將測力儀測量的磨削力數據（圖7a）進行分解，得到CFRP薄管超聲振動輔助磨削過程中的磨削力，如圖7b所示，并計算求得平均磨削力。

如圖8、圖9所示，使用超景深顯微鏡（KEYENCEVHX600E）從CFRP薄管頂面觀測CFRP薄管端面加工表面形貌并記錄撕裂長度lt，并將薄管剖開，從管壁內側面觀測側面形貌并記錄撕裂高度ht。

如圖10所示，WBD和ACE分別為砂輪側面相鄰兩個磨粒的運動軌跡，在當前試驗條件下，區域BCED為單個磨粒去除材料，單個磨粒的最大未變形切屑厚度為

2試驗結果分析

2.1工藝參數對磨削力的影響規律

2.1.1超聲振幅對磨削力的影響規律

圖11所示為超聲振幅對磨削力的影響規律。在n=4000r/min、f=0.15mm/r的加工條件下，隨著超聲振幅由0增大至6μm，切向力Ft、徑向力Fd和軸向力Fz均呈現減小的趨勢。這是因為當超聲振幅增大時，砂輪側面磨粒在單個振動周期內的有效軌跡長度L增大，磨粒切屑厚度減小，磨粒因去除材料而產生的磨削力減小，即［16］

如圖11a～圖11c所示，對于M55J和T300復合材料薄管，各個方向磨削力大小關系均為Ft＞Fd＞Fz，且Fz相較于Ft和Fd更小。這是因為在CFRP薄管超聲振動輔助磨削過程中，砂輪側面磨粒起主要材料去除作用，磨削力在砂輪進給方向即CFRP薄管切線方向上較大，而砂輪端面上的磨料去除的材料體積相對較小，其主要作用為修整已加工表面。此外，相同加工條件下T300復合材料薄管磨削力明顯大于M55J復合材料薄管磨削力。

2.1.2進給量對磨削力的影響規律

圖12所示為進給量對磨削力的影響規律。在A=4μm、n=4000r/min的加工條件下，隨著進給量由0.1mm/r增大至0.25mm/r，磨削力近乎呈線性增長。這是因為當進給量增加時，如式（3）所示，砂輪側面活躍磨粒的未變形切屑厚度線性增大，單個活躍磨粒需去除更多的材料而消耗更大的能量，由于去除了更多的材料，需要斷裂的化學鍵也隨之增加，所需要的磨削力也增大，進而導致微觀切削力呈線性增大，磨削力是多個磨粒的耦合作用，單個磨粒切削力的線性增大在宏觀上表現為磨削力呈現近似線性增大的趨勢。

2.1.3主軸轉速對磨削力的影響規律

圖13所示為主軸轉速對磨削力的影響規律。在A=4μm、f=0.15mm/r的加工條件下，隨著主軸轉速由3000r/min增大至6000r/min，磨削力無明顯變化。這是因為在進給量維持不變的情況下主軸轉速變化時，進給速度也要相應變化，如式（3）所示，砂輪側面活躍磨粒的未變形切屑厚度未發生改變，單個活躍磨粒磨削力不變，進而宏觀磨削力無明顯變化。

2.2工藝參數對撕裂的影響規律

圖14是切入過程CFRP薄管受力分析示意圖，撕裂的典型形貌如圖8和圖9所示，其試驗條件為M55J復合材料薄管，超聲振幅6μm，進給量0.15mm/r，主軸轉速4000r/min。超聲振動輔助磨削過程中砂輪切入處CFRP薄管內壁易出現撕裂，這是因為CFRP薄管最內側預浸料層在切出側缺少基體支撐，當磨粒施加的法向應力大于纖維基體界面結合強度（法向應力垂直于纖維排布面）時，纖維基體界面發生開裂，形成了微裂紋，最內側預浸料層部分纖維基體發生脫粘，在砂輪作用下層內裂紋沿纖維方向擴展并最終形成撕裂。撕裂在加工表面上表現為最內側預浸料層部分纖維基體脫粘或被去除。

2.2.1超聲振幅對撕裂的影響規律

由圖15a～圖15d可知，M55J復合材料薄管在A=0加工條件下最內側預浸料層大面積脫粘并被去除，僅留有少量碳纖維未被切割斷，形成較長較高的嚴重撕裂；當A=6μm時，M55J復合材料薄管雖也發生了脫粘，但大部分預浸料層未被去除，撕裂尺寸較小。由圖16a～圖16d可知，在A=0加工條件下，T300復合材料薄管在砂輪切入處最內側預浸料層發生小面積脫粘而形成撕裂，少量碳纖維未被切割斷開，且沿纖維方向擴展的撕裂高度較??；當A=6μm時，T300復合材料薄管最內側預浸料層雖也發生了少量脫粘，但撕裂尺寸很小，加工表面較為平整。

由圖17可知，在n=4000r/min、f=0.15mm/r的加工條件下，當超聲振幅由0增大至6μm時，撕裂長度和高度逐漸減小，這是因為超聲振幅的增大使磨削力減小，抑制了撕裂的產生與擴展。

結合圖15～圖17可以看出，M55J復合材料薄管撕裂長度和高度明顯大于T300復合材料薄管，這是因為M55J碳纖維有更大的拉伸模量和強度，使得M55J復合材料薄管剛度更大，砂輪切入過程中不易出現讓刀與工件變形，進而形成撕裂。

2.2.2進給量對撕裂影響規律

由圖18a～圖18d可知，在f=0.1mm/r加工條件下，M55J復合材料薄管最內側預浸料層大面積脫粘并沿纖維方向擴展，形成高度較大的撕裂；當f=0.25mm/r時，M55J復合材料薄管撕裂不僅尺寸更大，還擴展至內側第二層預浸料層，形成了層間的分層損傷。

由圖19a～圖19d可知，T300復合材料薄管在低進給量加工條件下加工表面較為光整，撕裂尺寸很小；但當f達到0.25mm/r時，在管壁內側的撕裂擴展至內側第二層預浸料層形成了分層損傷。可以看出，高進給量條件下撕裂更易產生且可能向外壁側擴展并形成分層損傷；低進給量條件下M55J復合材料薄管撕裂尺寸大于T300復合材料薄管撕裂尺寸，但是在高進給量條件下T300復合材料薄管撕裂高度較大。

由圖20可知，在A=4μm、n=4000r/min的加工條件下，當f由0.1mm/r增大至0.25mm/r時，撕裂長度和高度隨進給量的增加而增大，這是因為進給量的增大等比例增大了最大未變形切削厚度，進而增大了磨粒施加在最內側預浸料層的法向應力。

2.2.3主軸轉速對撕裂影響規律

由圖21a～圖21d可知，M55J復合材料薄管在不同主軸轉速條件下均會形成較嚴重撕裂，最內側預浸料層大面積脫粘并殘留部分未被切割斷的碳纖維，但在高轉速條件下其撕裂尺寸明顯小于低轉速時的撕裂尺寸。由圖22a～圖22d可知，在n=6000r/min加工條件下，T300復合材料薄管在砂輪切入處最內側預浸料層形成小面積撕裂，殘留少量碳纖維未被切割斷，且撕裂高度較小；當n=3000r/min時，T300復合材料薄管加工表面質量較好且無明顯撕裂?？梢钥闯觯咧鬏S轉速條件可以有效抑制撕裂的形成；相同加工條件下M55J復合材料薄管撕裂尺寸明顯大于T300復合材料薄管撕裂尺寸。

由圖23可知，在A=4μm、f=0.15mm/r的加工條件下，隨著主軸轉速由3000r/min增大至6000r/min，撕裂長度和高度逐漸減小，這是因為主軸轉速的增大等比例增大了磨粒的切削速度，增大了剪切角，進而減小了磨粒施加在最內側預浸料層的法向應力。

3結論

（1）在CFRP薄管超聲振動輔助磨削過程中，在其他加工參數不變的情況下，隨著超聲振幅的增大，磨粒有效運動軌跡增大，磨削力逐漸減??；隨著進給量的增大，磨削過程最大未變形切屑厚度等比增大進而使磨削力近似線性增大。主軸轉速對磨削力無顯著影響。

（2）當磨粒施加的法向應力大于纖維基體界面結合強度時，CFRP薄管易形成撕裂損傷，由于最內側預浸料層在切出側缺少支撐，撕裂常出現于管內壁處；撕裂長度與高度隨超聲振幅的增大而減小，隨主軸轉速增大而減小，隨進給量的增大而增大；當進給量達到一定值時撕裂會擴展至第二層預浸料層進而形成分層損傷；加工過程中，為抑制撕裂的形成，應優先選擇較低的進給量。

（3）相較于T300復合材料薄管，M55J復合材料薄管磨削力較小，但由于其剛度更高，故更易出現尺寸較大的撕裂。

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