纤维增强复合材料磨削制孔加工技术研究分析

马继宸

上海飞机制造有限公司 上海 201324

前言

纤维增强复合材料是利用基体与纤维增强体结合而成的一种新型材料,该技术可以借助大量强而脆的纤维来保证材料强度。与传统材料相比,纤维增强复合材料有更强的比刚度与比强度,其耐腐蚀性更强。在当前纤维增强复合材料应用过程中,磨削制孔加工是其中的关键关节,其加工质量关乎该材料的应用效果,值得关注。

1 纤维增强复合材料的磨削制孔加工机制

从加工过程来看,磨削制孔加工的主要特征,就是利用附着在磨具上的小颗粒,利用小颗粒的切削作用清除原材料表面的材料,通过“以磨代钻”的方法可以有效消除加工刀具对纤维增强复合材料的轴向推挤作用,减少加工过程中设备所产生的扭矩[1]。因此与传统加工模式相比,纤维增强复合材料在磨削制孔加工中可以进一步提升加工质量。

1.1 切削形成机制

在传统的材料加工中,主要依托刀具的主切削刃以及横刃等,在持续高速旋转状态下,经剪切以及摩擦等作用清理材料。相比之下,磨削制孔加工中,主要依托工具前端装置以及圆周表面附着的颗粒在高速旋转条件下清除材料。通过这种差异可以认为,磨削制孔加工的切削形成机制与传统工艺相比存在明显差异。受到切屑的影响,会导致材料表面形成破损,通过了解切削力变化情况来消除加工缺陷。

从磨损制孔加工过程来看,纤维增强复合材料在磨削制孔加工中会在加工作用下被破碎成大量粉末状材料,例如在电镀金刚石刀具磨削制孔加工中可以发现,当碳纤维的角度为0°时,纤维增强复合材料的切屑主要以块型、细长型以及粉末型三种类型为主;而随着角度的增加,会导致加工过程的切削力发生变化,刀具在垂直作用下会直接切断碳纤维,尤其是当切削角度达到45°或者135°时,刀具的切削作用会导致碳纤维断裂,此时在材料加工过程中会产生大量粉末切屑,此时成孔质量不明显。

1.2 磨削轴向力的影响

磨削轴向力对纤维增强复合材料的加工质量有直接影响,这是因为在原材料切削过程中会导致原材料在分层缺陷下遭受破损,相关学者研究也认为,在磨削制孔过程中,加工过程中的轴向力变化规律成为影响加工效果的重要因素。

而从当前加工技术的发展情况来看,通过构建给进速度的轴向力模型了解纤维增强复合材料加工过程中的轴向力变化情况,最终模型的演变结果显示,当切削的轴向力低于临界值时,纤维增强复合材料在磨削期间不会产生分层;或者在加工过程中通过增加刀具的齿数能够降低最大轴向力[2]。同时不容忽视的是,在纤维增强复合材料加工过程中,可以通过经典板弯曲理论来了解磨削轴向力的受力变化情况,此时不同类型的钻头所产生的临界轴向力会产生明显变化,其中套料钻的临界轴向力最高阶梯钻头的轴向力最低。

1.3 磨削温度的影响

从纤维增强复合材料加工过程中可以发现,在不同磨削温度的影响下,会导致磨削材料的加工温度发生变化,同时受到材料自身特性的影响,包括磨粒分布位置、纤维的性能差异等方面的不同,会导致磨削区的温度应力产生变化。针对磨削温度对纤维增强复合材料加工过程的影响,可以借助温度模型的方法进行验算,期间可以按照公式(1)验算数据。

在公式(1)中,kct代表不同切削温度下的材料结构应力变化;Cf代表材料的体积含量;kft代表材料平均纤维方向热导率;ke代表导热率。

在公式(1)结构的基础上,通过在切削温度应力模型的基础上识别温度变化对纤维增强复合材料磨削制孔加工效果的影响。在上述模型结构的基础上可以精准记录工件在不同工况下的温度分布情况,根据一般纤维增强复合材料磨削制孔加工过程可以发现,在电镀金刚石刀具磨削加工过程中,温度应力的结构会发生明显变化,最终结果验证显示,磨削制孔过程中的出口温度场呈现出椭圆形特征,并且温度应力分布呈现出马鞍形的分布特性,根据该温度场模型分布方案则可以识别制孔的温度升温变化情况,因此最终结果显示碳纤维分布情况影响制孔温度变化。

同时纤维增强复合材料加工过程本身会引发一系列温度应力变化,这是因为磨削出口的温度受到主轴转速以及磨粒粒径等因素的影响,并且随着轴向给进速度的增加以及磨粒间距增大等因素影响,发现其温度应力分布出现变化,其相关影响机制表现为:主轴转速越大对温度的影响越明显;同时从磨粒粒径以及原材料给进速度等因素的影响下,发现材料的温度模型呈现出不同的空间分布(见图1)。

图1 原材料磨削制孔过程中的温度分布

在上述温度分布的作用下可以发现随着磨削制孔转速增加,会导致制孔出口位置出现严重烧伤。

2 纤维增强复合材料加工中的质量缺陷与评价方法

2.1 常见质量缺陷问题

现阶段纤维增强复合材料在采用磨削制孔加工之后,常见的质量缺陷主要分为两种类型,其中一种则是原材料普遍存在的缺陷,包括加工孔的误差或者位置误差等,这种类型误差也是日常加工中的常见类型。另一种则是纤维增强复合材料自身特有的质量缺陷问题,在磨削制孔加工中出现纤维拔出或者分层、撕裂等情况。在上述质量缺陷发生后,会严重影响原材料使用年限[3]。

同时纤维增强复合材料加工过程中,金刚石等材料因为具有独特的加工机制,在纤维增强复合材料磨削制孔中可能出现特殊的质量缺陷,这是因为金刚石在加工过程中往往会因为结构的特殊性而导致制孔口的毛刺现象不明显,而金刚石颗粒的特殊推挤作用,最终导致制孔周围发生材料凸出、分层的质量问题。

2.2 评价方法

2.2.1 分层缺陷

纤维增强复合材料的分层缺陷较为常见,该缺陷是指原材料在应力状态影响下所出现的脱胶断裂情况,并且这种断裂现象会导致裂纹沿着不同空间分布进行分布,属于特殊的失效机制。在纤维增强复合材料磨削制孔期间,分层缺陷主要集中在孔出口位置,表现出典型的分层特征,且随着轴向力的增加,会使材料的出口位置的分层更明显。同时在磨削制孔中,虽然“以磨代钻”的加工方法可以抑制分层缺陷的发生。在这种情况下,通过构建分层轴向力模板可以评估其分层应力变化情况,在数据计算中,借助数学解析的方法判断可能出现的分层缺陷,最终研究结果显示,在采用金刚石套料钻等磨削制孔方法后,纤维增强复合材料的分层缺陷主要沿着纤维方向扩展。

2.2.2 毛刺与撕裂缺陷

纤维增强复合材料的毛刺与撕裂质量问题较为常见,是原材料常见的加工质量问题,例如此类缺陷主要集中在材料的下表面的纤维铺层位置,在磨削制孔加工过程中,刀具的锋利性下降本身会影响正常的原材料打磨过程,并且在钻削过程中所产生的轴向力会大于材料极限强度,受到这一特殊受力状况的影响,会导致材料构件装配精度,此时在磨削制孔中,因为模具与纤维增强复合材料的表面上存在大量磨粒,此时磨粒的运动变化过程会呈现出螺旋式的变化过程,尤其是在切削材料后发生大量微小裂纹,裂纹受到螺旋给进运动的影响,在这一运动作用机制下会造成大范围的撕裂或者毛刺质量问题。所以在质量缺陷评价中,通过了解原材料的撕裂与毛刺质量缺陷的发生机制,可以为进一步优化刀具设计方案提供支持。

而在上述质量缺陷评价中,大量研究证明纤维增强复合材料的平均撕裂长度与轴向力之间存在密切关系,在不同评价方法中,则可以借助比长度法或者比面积法来观察材料的毛刺与撕裂缺陷变化状态,如通过对比不同工况下磨削制孔中毛刺与撕裂长度变化情况,根据长度或者面积变化结果作出判断。

2.2.3 孔壁表面粗糙度

在当前纤维增强复合材料等材料加工过程中,材料孔壁质量影响最终加工效果,也是影响结构强度以及疲劳寿命的重要因素。在加工过程中,纤维方向会在磨削制孔的结构过程中出现结构破坏,最终影响了表面加工效果,尤其是孔壁表面粗糙度越高,则这种磨损变化表现得越明显。

从磨损评估的角度来看,不同孔壁表面粗糙度对最终加工效果有直接影响,例如在评价方案中,借助测量划切力以及和声发射的划痕实验方法可以观察原材料表面性能指标变化,受不同孔壁表面粗糙度的影响,随着粗糙度的增加,当纤维方向与刀具之间的角度为锐角时,则可以发现纤维锯齿表面发生严重开裂,证明两者之间存在相关性。

3 磨削制孔加工的质量管理方法

影响纤维增强复合材料磨削制孔影响因素是多方面的,在加工过程中需要工作人员认识到不同因素加工质量的影响并形成预防措施,这样才能提升加工质量。

3.1 纤维方向对磨削加工质量的影响

对于纤维增强复合材料而言,在磨削制孔加工过程中,纤维材料的分布本身具有明显的方向性特征,并且受到纤维加工角度等因素的影响,在0°-90°的范围内,随着角度的增加,纤维方向对最终加工质量的影响越明显[4]。

从现有研究可以发现,孔壁粗糙度与纤维方向之间存在密切关系,检测结果显示当纤维切削角度从0°-45°增长时,可以发现其表面粗糙度不断上升;而当角度从45°向90°增加过程中,孔壁粗糙度减小,最终检测结果显示,当角度达到45°时,纤维材料的粗糙度达到峰值,并且在粗糙度水平提升过程中,孔壁表面的粗糙度分布更加明显。从现有的研究结果来看,在磨削制孔加工环节,在使用8mm的金刚石套料钻对纤维增强复合材料进行磨削制孔后,在磨削过程中无论有无超声辅助加工,纤维角度都会影响材料表面的粗糙度水平,这已经成为当前加工过程中不容忽视的问题。

同时不容忽视的是,纤维增强复合材料本身具有很强的向异性特征,在这一作用机制的影响下会导致纤维承受不同的剪切作用,尤其是在材料的“逆剪”以及“顺剪”方向下,会导致其整体结构出现明显变化,例如在“顺剪”位置上,采取磨削制孔加工方法后,该区域会出现严重的纤维拔出或者撕裂等质量问题;而相比之下,“逆剪”区域下表面材料的状况良好,几乎无毛刺等问题。除此之外,孔壁的粗糙程度成为影响加工质量的重要因素,这是因为在随着纤维切削方向的变化,会导致材料表面粗糙度发生变化,当角度达到45°时,表面粗糙度达到最高值,彩标孔壁表面粗糙度则严格按照轴向空间做水平分布。

3.2 磨削参数

从磨削参数对纤维增强复合材料磨削制孔加工过程的影响中可以发现,在当前磨削制孔中需要考虑原材料给进速度、套料钻壁厚度等因素的影响,在选择磨削参数期间,应围绕质量管理要求确定加工磨削的数据规范。例如在金刚石套料钻磨削制孔加工中,通过正交列阵的计算方法判断钻孔参数对纤维增强复合材料粗糙度的影响后,最终研究数据显示,通过严格控制给进速度并尽可能地缩小钻壁厚度有助于改善加工材料的粗糙度。同时在相关研究中也发现,轴向力与主轴转速之间存在负相关关系,但是随着给进速度不断增加,则轴向力也会有明显提升,所以在制定磨削参数过程中,可以采用高主轴转速与低给进转速相互结合的方法,这种磨削制孔加工方法的主要优点,就是可以降低轴向力并降低磨削过程中发生分层缺陷的风险,有助于提升磨削制孔加工效果。但是同时不容忽视的是,并非给进速度越低磨削制孔的加工效果越好,所以在具体操作中应进一步探索不同磨削参数对最终加工效果的影响,例如通过5mm电镀金刚石钻磨刀具做磨削制孔后,在综合主轴给进速度等因素对制孔质量的影响后,最终数据显示,当设备的给进速度达到25mm/min,主轴转速为10000m/min时,材料的加工效果越好;而在采用小口径钻孔加工时,应采用低给进的加工方法,即将给进速度控制在0.01mm/r时,原材料的加工质量满意,并且不容忽视的是,随进给速度、主轴转速的增加孔壁内部的分层损伤越发明显,但当主轴转速增加到一定时,反而会抑制分层缺陷在孔壁内部的扩展[5]。造成这一现象的原因可能为:在磨削结构过程中,材料的去除率维持不变,但是随着主轴长度的增加,金刚石磨粒有效长度有明显增加,最终导致原材料出现轴向力以及切削深度下降的现象。

因此可以认为,纤维增强复合材料在磨削制孔期间,其制孔效果与主轴转速之间存在密切关系,并且磨削参数对最终加工效果的印象不容忽视,因此在加工生产过程中,应深入了解磨削制孔的技术要求,经该工艺加工后纤维增强复合材料的磨削制孔满足质量控制规范。

4 结束语

在当前纤维增强复合材料的磨削制孔加工中,影响加工质量的因素是多方面的,因此为了能够保证材料加工质量,相关人员应深入了解孔壁表面粗糙度等质量问题对最终加工结果的影响,借助多样化的评估计算方法正确评估不同方法对加工质量的影响,最终有效消除潜在加工质量缺陷,并将其作为提升纤维增强复合材料加工效果的突破口,并且在加工中通过正确调节纤维方向等措施可以保障磨削制孔加工效果,具有可行性。