超聲振動在碳纖維復(fù)合材料中的應(yīng)用

超聲振動在碳纖維復(fù)合材料中的應(yīng)用

0超聲振動切削加工cfrp的研究進(jìn)展碳碳復(fù)合材料（rcrc）是一種以碳為增強(qiáng)材料，以樹脂為基本材料的材料。超聲振動切削加工技術(shù)是近幾年新興的先進(jìn)制造技術(shù)之一,國內(nèi)外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)展開了超聲振動切削加工CFRP的技術(shù)研究,超聲振動切削加工具有切削力小、刀具磨損小、加工質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于加工硬脆性難加工材料。本文針對CFRP切削加工中存在分層、撕裂、翻邊、毛刺等加工缺陷,以及加工精度低、加工難度大的特點(diǎn),進(jìn)行超聲振動加工CFRP的試驗(yàn)研究,通過系統(tǒng)的超聲振動試驗(yàn),提高加工精度和效率。1材料及表面分析超聲加工工藝系統(tǒng)如圖1所示,其中超聲振動系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、變頻電源、超聲頭、滑環(huán)及電刷組成,超聲振動頻率>20kHz,刀頭振幅5~20μm;工件材料為T300碳纖維復(fù)合材料。碳纖維加工表面粗糙度和表面輪廓的分析采用TaylorHobson表面輪廓儀;表面形貌及加工缺陷的檢測分析采用超景深三維顯微系統(tǒng)。試驗(yàn)針對航天產(chǎn)品中復(fù)合材料常用的表面銑削、輪廓銑削及鉆孔加工等工藝特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),采用單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn),分析影響碳纖維超聲振動加工的主要影響因素。2纖維材料的超聲波振動加工試驗(yàn)2.1超聲振動表面粗糙度試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn),研究銑削三要素對表面粗糙度的影響規(guī)律。單因素試驗(yàn)中通過分別改變切削速度v、切削進(jìn)給速度f、切削深度a2.1.1超聲加工表面粗糙度隨切削速度的變化如圖2所示為切削速度對碳纖維超聲加工表面粗糙度的影響規(guī)律,根據(jù)前期基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù),n為800~2600r/min,對應(yīng)v為20.1~65.3m/min,此時(shí)f=100mm/min,a從圖2可以看出,超聲加工表面粗糙度值隨切削速度的增大總體呈下降趨勢,當(dāng)切削速度為50.3m/min時(shí)達(dá)到最優(yōu)值Ra=0.948μm。因正交切削的參數(shù)是通過單因素試驗(yàn)中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選得到的,表面粗糙度Ra值基本上穩(wěn)定在0.9~2.0μm。超聲振動切削加工可以在較低的切削速度下取得較好的表面加工質(zhì)量,常規(guī)切削加工碳纖維的切削速度在100m/min以上才能達(dá)到超聲加工的質(zhì)量效果,這與超聲振動加工的切削機(jī)理有關(guān),超聲振動通過高頻振動不斷沖擊、擠壓被加工材料,具有切削行程短、切削量均勻、散熱條件好、切屑容易排出、刀具磨損小等優(yōu)點(diǎn),可在較低切削速度下取得較好的表面粗糙度。2.1.2超聲加工表面粗糙度單因素試驗(yàn)如圖3所示為切削進(jìn)給速度對碳纖維超聲加工表面粗糙度的影響規(guī)律,切削進(jìn)給速度f=60~240mm/min,取主軸轉(zhuǎn)速n=2000r/min,對應(yīng)切削速度v=50.3m/min,切削深度a從圖中可以看出,在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),超聲加工表面粗糙度值先隨切削進(jìn)給速度的增大而減小,當(dāng)切削進(jìn)給速度為140mm/min時(shí)達(dá)到最優(yōu)值Ra=0.825μm,但此后隨著進(jìn)給速度的增大,表面粗糙度值逐漸增大。常規(guī)銑削加工中,進(jìn)給速度是銑削創(chuàng)成表面粗糙度過程的最重要影響因素,進(jìn)給速度、銑削方式和刀尖圓弧半徑是影響理論表面粗糙度的主要因素。超聲切削加工則完全不同,因超聲頻率較高,且超聲為斷續(xù)切削加工,宏觀上仍然像常規(guī)銑削加工一樣遵循刀具運(yùn)行的軌跡,這個軌跡是形成常規(guī)銑削加工理論表面粗糙度的幾何依據(jù),但在微觀上,則是由超聲的振動切削加工,高頻進(jìn)退刀以及機(jī)床、刀具、材料等其他因素最終形成了試驗(yàn)加工的表面粗糙度。如圖4所示為切削深度對碳纖維超聲加工表面粗糙度的影響規(guī)律,a從圖4可以看出,超聲加工表面粗糙度值大體上隨切削深度的增大而增加。這是因?yàn)榍邢魃疃鹊脑黾邮骨邢髁υ黾用黠@,切削能急劇增加,超聲變幅桿受壓電換能器的影響,額定功率較低,當(dāng)切削力較大時(shí),會影響超聲變幅桿的剛性和振動特性,使超聲加工的切削狀態(tài)發(fā)生變化,導(dǎo)致切削過程失穩(wěn),從而引起表面粗糙度值增大。通過上述單因素試驗(yàn),選取超聲加工正交切削試驗(yàn)的切削參數(shù),確定試驗(yàn)因素和水平,可得3個因素即切削速度(X1)、切削進(jìn)給速度(X2)、切削深度(X3)的因素水平編碼表如表1所示。根據(jù)對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析,得到超聲銑削加工表面粗糙度的三個影響因素切削速度、進(jìn)給速度、切削深度對粗糙度大小影響程度依次為:切削深度>進(jìn)給速度>切削速度,同時(shí)得到本次試驗(yàn)中最優(yōu)解的組合為A3B3C3,即切削速度為60.3m/min;進(jìn)給速度為180mm/min;切深為0.4mm。2.2超聲切削加工工藝缺陷的分析試驗(yàn)對碳纖維超聲加工中存在的加工缺陷進(jìn)行了分類整理,并結(jié)合切削工藝參數(shù)進(jìn)行了對比分析,論述了缺陷產(chǎn)生的機(jī)理,提出了改進(jìn)的工藝方法。試驗(yàn)選用參數(shù)范圍如表3所示。碳纖維的已加工表面的形成過程與均質(zhì)金屬材料有很大的不同。此外,基體和增強(qiáng)纖維的物理、化學(xué)性能差別很大,加工過程中表面加工質(zhì)量不但受兩種材料的特性影響,而且與增強(qiáng)纖維的取向有很大關(guān)系。增強(qiáng)纖維的取向和切削加工方向的關(guān)系即纖維方向角是影響加工質(zhì)量的重要因素。試驗(yàn)結(jié)果表明,超聲切削加工后并不能避免常規(guī)切削加工中經(jīng)常出現(xiàn)的抽絲拉毛、纖維束開裂、交接裂紋、分層塌邊等工藝缺陷,但能大大減少缺陷出現(xiàn)的概率。如圖5為試驗(yàn)中檢測到的纖維束抽絲、拉毛、開裂等工藝缺陷。試驗(yàn)所用材料為T300纖維束鋪層的復(fù)合材料,從圖5可以清晰地看出纖維束單層鋪層以后再疊加基體材料最終形成平行的鋪層結(jié)構(gòu),在這種單層鋪層的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中,纖維束出現(xiàn)的加工缺陷幾乎不可避免,加工中可以盡量控制切削深度,讓切削層位于基體厚度范圍內(nèi),避免處于纖維束厚度范圍內(nèi),能顯著避免上述加工缺陷。圖6為調(diào)整切削深度,使其位于基體厚度范圍內(nèi)的樣件無缺陷和有缺陷的加工質(zhì)量對比。2.3發(fā)展優(yōu)勢加工用刀具通過碳纖維復(fù)合材料的超聲振動鉆削試驗(yàn),針對不同厚度的編織碳纖維復(fù)合材料板,鉆削了Φ4mm、Φ6mm、Φ8mm、Φ10mm四種規(guī)格的孔,采用三維超景深顯微系統(tǒng)進(jìn)行孔加工質(zhì)量的檢測,定性研究了碳纖維超聲振動鉆削的有關(guān)工藝現(xiàn)象。鉆削中經(jīng)常出現(xiàn)復(fù)合材料加工中的抽絲拉毛等缺陷,如圖7所示.。由圖7可見,嚴(yán)重影響了孔的表面質(zhì)量和幾何尺寸精度,抽絲拉毛現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是因?yàn)榍邢鞯毒咴谇邢骷庸ぶ胁荒苎杆偌魯嗬w維,導(dǎo)致纖維束抽出,在切削刀刃不斷刮擦和剪切作用下變?yōu)樾鯛?解決此缺陷的首要方法應(yīng)采用切削刃鋒利、高硬高韌的切削刀具,其次宜適當(dāng)提高鉆削速度,使切削刃迅速剪斷纖維。鉆削中出入口的加工質(zhì)量對比明顯,入口處比較光滑,出口則容易造成翻邊、纖維撕裂、分層等加工缺陷,如圖8所示。對于多層編織的碳纖維復(fù)合材料,在鉆削中不容易出現(xiàn)纖維束和基體脫粘的缺陷,但由于鉆削切出時(shí),刀具刀刃處的切削速度較小,對纖維的剪切強(qiáng)度較低,出口方向的正壓力較大,使出口極易出現(xiàn)翻邊、纖維撕裂,尤其對于薄板復(fù)合材料,其鋪層層數(shù)少,整體強(qiáng)度低,當(dāng)鉆削加工至切出口時(shí),未鉆透材料的層間結(jié)合強(qiáng)度較低,還容易出現(xiàn)切削力大于層間強(qiáng)度而造成的分層缺陷?？梢圆捎醚娱L切削穩(wěn)態(tài)過程的工藝方法,如出口涂覆其他材料的方法以及采用特殊刃形設(shè)計(jì)的刀具減少鉆削正壓力來避免上述缺陷的產(chǎn)生。因鉆削加工切出切入口缺陷的存在,切入口與切出口相比尺寸較大,切出口因毛刺、分層、翻邊等缺陷的影響,在檢測中尺寸較小。此外,鉆削加工的尺寸精度還受到刀具制造精度、機(jī)床動態(tài)旋轉(zhuǎn)精度、機(jī)床剛性、幾何檢測精度等方面的影響,是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工藝鏈。適當(dāng)提高鉆削速度用以迅速剪斷纖維可減少毛刺缺陷發(fā)生的概率,降低鉆削進(jìn)給速度使切削過程更加平穩(wěn),有利于減少切出口撕裂、翻邊的加工缺陷。當(dāng)采用較鋒利的切削刀具,并提高超聲加工機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速即提高切削速度時(shí),減少鉆削進(jìn)給量時(shí)取得了良好的鉆削加工工藝效果。如圖9即為改進(jìn)前后加工效果對比。3加工表面粗糙度(1)超聲振動切削加工質(zhì)量較好,試驗(yàn)中表面粗糙度Ra值穩(wěn)定在0.9~2.5μm,相比常規(guī)切削有效提高了表面質(zhì)量。(2)超聲銑削加工表面粗糙度的三個影響因素對粗糙度大小影響程度依次為:切削深度>進(jìn)給速度>切削速度。(3)適當(dāng)降低超聲切削的頻率和振幅,