GFRP低频轴向振动制孔的钻削力特性和套料钻磨损分析
2023-10-25董香龙郑雷韦文东孙晓晗刘子文孙衍涛何智伟
董香龙 郑雷 韦文东 孙晓晗 刘子文 孙衍涛 何智伟
关键词 低频轴向振动;套孔加工;轴向力;烧焦概率;自动落料
中图分类号 TG58; TG71; TQ164 文献标志码 A
文章编号 1006-852X(2023)01-0082-08
DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0053
收稿日期 2022-04-19 修回日期 2022-08-08
纤维增强树脂基复合材料(fiber reinforced plastics,FRP)、工程陶瓷及其层叠构件因其特殊性能在航空航天设备、坦克装甲等领域有着广泛的应用[1]。在工程实践中,常以陶瓷/FRP 叠层材料作为新型坦克装甲车辆的复合装甲,其应用前景极其广阔;而玻璃纤维增强复合材料(glass fiber reinforced plastic, GFRP) 因其良好的冲击韧性和经济性,常作为层叠复合装甲的支撑背板。鉴于现有成形工艺的制约,复合材料成形时无法精确预留用于装配的各种孔、槽等,装配时不可避免地需要进行二次机械加工,尤其是孔槽的加工[1-2]。加工过程中因钻削力较大复合材料极易产生分层、撕裂等缺陷,轻则影响其制孔质量和效率,重则严重影响结构件的连接强度和疲劳寿命[3-4]。因此,如何实现该类难加工材料的高质量制孔,已成为国内外学者研究的热点和难点。
针对工程陶瓷、FRP、层叠复合装甲等难加工材料,传统的金属加工技术很难指导其加工。近年来,国内外很多学者对此进行了大量新工艺的探索,比如使用电火花加工、激光加工、超声波振动辅助加工和磨料水射流加工等,其中以超声振动辅助加工的应用最为广泛,效果最为突出。杨宇辉等[5] 以氧化锆陶瓷为对象,分析了超声振动加工硬脆材料时脆塑转变的条件,结果表明超声振动可以增大塑性域加工范围,提高陶瓷表面质量。WANG 等[6] 在DMG 超声振动机床上借助电镀金刚石套料钻对石英玻璃进行了旋转超声孔加工,其切削力大幅减少,表面粗糙度显著减低。邵振宇等[7]结合超声振动加工技术分析了碳纤维增强复合材料(carbonfibre reinforced plastics, CFRP) 的缺陷抑制原理,相比常规钻削,其切削力和扭矩降低近50%,且出口分层、撕裂等缺陷大为减少。王东等[8] 研究了麻花钻纵向超声钻削CFRP/钛合金叠层材料的动态冲击效应,通过试验验证了刀工系统动力学模型的准确性,并获得了较好的超声振动钻削效果。GENG 等[9] 研究了椭圆旋转超声工艺条件下钎焊金刚石套料钻加工CFRP 的磨损机理,椭圆振动加工时的磨粒微破碎磨损多,钻头自锐性好,平均钻削力小,磨屑黏附少,钻头寿命可延长28%。ZHENG 等[10] 采用低频轴向振动辅助加工Al2O3/GFRP 叠层复合装甲的孔,分析了工艺参数和振动参数对钻削力、孔口质量及其表面粗糙度的影响。由此可见,振动辅助加工在工程陶瓷和FRP、CFRP 等难加工材料领域表现出良好的工艺优势,而关于GFRP 低频轴向振动制孔的研究鲜有报道。
鉴于此,以GFRP 为加工对象,建立低频轴向振动制孔的运动学模型和动力学模型,分析其轴向力的变化趋势及套料鉆的寿命及落料方式,探讨低频振动加工技术在GFRP 上的应用,以期在GFRP、陶瓷 /FRP 层叠构件等材料上加工出高质量的孔。
1 低频轴向振动制孔理论分析
1.1 低频轴向振动制孔运动学模型
低频轴向振动制孔是通过某种方式使工件与套料钻之间产生相对的轴向往复运动而钻孔的。假设工件不动,套料钻除了机床的轴向恒定进给外,还有轴向振动位移施加在套料钻上,如图1 所示。李哲等[11] 研究发现:金刚石薄壁套料钻在工程陶瓷和FRP 等难加工材料的加工中表现出优越的性能,这种“以磨代钻”的加工方式可有效减小轴向力,提高了制孔的质量。考虑到复合材料的难加工特性,改进套料钻的结构,在其工作部设计了高低错落的波浪齿形,一方面便于冷却液及时进入工作部进行冷却,另一方面有助于磨屑的排出;同时选择40Cr 为基体材料,使套料钻具有良好的韧性和减振功能。
低频轴向振动是由机械式振动刀柄提供的正弦运动,其基本原理如图2 所示。图2 中:机床空转时,环形平面与环状正弦凸轮相互转动,滚子沿着正弦凸轮的正弦曲线移动,在其轴向产生位移,从而推动套料钻做简谐振动。简谐振动的振幅大小和机床每转的振荡频率都取决于凸轮的结构,且金刚石薄壁套料钻振动钻削时,实际的瞬时进给量为机床进给量和振动位移的矢量和。
套料钻工作部的端部和内外圆柱面都镶有金刚石颗粒,加工时端部为主要磨削工作面,内外圆柱面为辅助磨削工作面。为了便于分析套料钻上金刚石的运动特性,假设加工过程中的振幅和频率不变,单颗磨粒在磨削过程中的大小及形状不变,且被看成质点处理,则单颗磨粒在轴线方向的位移为:
利用MATLAB 软件画出常规钻削和振动钻削工况下单颗磨粒的轨迹图,如图3 所示。其中:fr=1/300 mm/r(10 mm/min),r = 4 mm,n = 3 000 r/min,A = 0.015 mm,f =125 Hz,频转比(套料钻每旋转1 周产生轴向往复振动的次数)wf= 2.5 次/r。
由图3 可以看出:常规钻削中磨粒和工件始终保持接触;而低频轴向振动钻削时,磨粒与工件时而接触时而分离,这有利于套料钻的冷却,大大提高了套料钻的寿命。
由于受低频轴向振动的影响,钻削时会产生一定的动态冲击效应,从而使钻削力Fz 随之改变。这种动态冲击效应在加工硬脆材料时会使材料产生更多、更深的裂纹, 进而使材料去除更容易[13]。然而, GFRP复合材料是由树脂基体和增强纤维体层叠形成的,树脂容易遇热软化,大大降低其可切削性,从而加大钻头的磨损;且由图3 可见低频振动钻削时,套料钻Z 向的钻削行程比常规钻削时的大。基于此,动态冲击效应不但没有减小钻削力,反而在一定程度上提高了GFRP钻削时的钻削力。
2 试验装置
试验加工设备为MCV850-5 五轴加工中心, GFRP的整体钻削试验装置如图5 所示。利用低频轴向振动刀柄 PG8040和直径为8 mm 的新型薄壁金刚石套料钻对厚度为10 mm 的GFRP 纤维板钻孔,孔大小为8 mm,试验钻孔数量为46 个;通过 KISTLER 9 272 多分量测力仪测量轴向力的大小。在主轴转速为3 020 r/min,进给速度为12.5 mm/min,振幅为0.040 mm 时的轴向力曲线如图6 所示,其Z 向钻削力 Fz 呈明显的周期性变化。鉴于试验中的轴向力是不断变化的,试验所记录的轴向钻削力选取稳定钻削状态时钻孔的钻削力平均值作为每次试验轴向力的大小。探讨超声振幅、进给速度、主轴转速对轴向力的影响规律;借助基恩士 VK-X100激光扫描显微镜对套料钻工作部进行分析,揭示套料钻磨损机理。
前期试验确定的钻削试验参数及范围如表1 所示。
其中:常规钻削试验以常规BT40 刀柄进行制孔,其振幅为0,所制孔大小与数量与低频轴向振动刀柄PG8040時的相同;低频轴向振动钻削试验用振动刀柄PG8040进行制孔,其振幅分别选用0.015,0.040,0.065 和0.090 mm4 个值。
试验用GFRP 纤维板中的纤维质量分数为70%,密度为2 g/cm3,弯曲强度为450 MPa,弯曲模量为20 GPa。新型薄壁金刚石套料钻如图7 所示,其工作部采用钎焊与烧结复合工艺制造,既保证了套料钻的金刚石浓度同时也兼顾了烧结套料钻的多层结构。金刚石选择时,考虑孔壁粗糙度、刀具的锋利程度及刀具寿命等,采取金刚石磨料混合的方式,金刚石磨料由粒度代号分别为70/80、80/100、100/120 的3 种金刚石按质量比为1∶1∶1 的比例混合而成。表1 中所用的新型薄壁金刚石套料钻1#、2#、3#皆用此金刚石混合粒度磨料制成,且彼此间性能基本无差别。该薄壁金刚石套料钻避免了金刚石磨损后无法及时补充、新刃无法及时出刃、磨料把持强度低等问题,具有既降低钻削力又持续提高工作时间的特性。在保证钻结合强度和刚度的前提下,薄壁金刚石套料钻的厚度为 (0.4 ± 0.1) mm,仅为常规金刚石套料钻厚度的1/5 左右[14],其中工作部外端的外圆直径为8 mm,从而使制孔试验中的孔径为8 mm。
3 结果及分析
3.1 轴向力分析
钻削加工GFRP 孔时,钻削时的轴向力是造成孔壁分层、孔出口撕裂的主要原因之一,会直接影响复合材料的钻孔质量。图8 是表1 中的1#条件下振幅对轴向钻削力的影响。如图8 所示:常规钻削时的轴向力比低频振动钻削时的轴向力小很多,这和文献[15] 中常规钻削时采用新型金刚石薄壁套料钻的轴向力大为减小一致;且在振动钻削加工中,随着振幅的增加钻削力也随之增加。低频振动钻削时每转振动2.5 次(频转比wf= 2.5 次/r),且振幅A 远超fr(以n = 3380 r/min,vf =12.5 mm/min 为例,其fr= 12.5/3 380 mm/r = 0.003 7 mm/r;而振动钻削时的每转振动幅度在0.015 mm 到0.090 mm ,即4.05 ≤ A/fr≤ 24.32 )。因此,低频轴向振动时的最大瞬时进给量比常规钻削时的大得多,单位时间内切削纤维的数量增加,故低频振动钻削的轴向力比常规钻削的轴向力大。同时,低频振动钻削有利于切削液更新,以冷却套料钻。但实际振动钻削时套料钻行程加大,GFPR 中软化的树脂会黏结在套料钻表面,遇冷却液后再次凝固而增大了摩擦力,从而也增大了钻削力,而且振幅越大,这种增大现象越明显。
在表1 中的条件2#下,进给速度对轴向力的影响如图9 所示。由图9 可知:主轴转速不变时,随着进给速度增大,每转进给量 fr也随之增大,单位时间内切削纤维的数量增加,使得轴向钻削力增大;同时,切削区温度升高会使GFRP 中的树脂软化并黏附在套料钻工作部位上,降低套料钻的锋利性,钻削轴向力随之增大。低频轴向振动钻削时,由于大振幅的引入,其最大钻削在表1 中的条件2#下,进给速度对轴向力的影响如图9 所示。由图9 可知:主轴转速不变时,随着进给速度增大,每转进给量 fr 也随之增大,单位时间内切削纤维的数量增加,使得轴向钻削力增大;同时,切削区温度升高会使GFRP 中的树脂软化并黏附在套料钻工作部位上,降低套料钻的锋利性,钻削轴向力随之增大。
在表1 中的条件3#下,主轴转速对轴向力的影响如图10 所示。由图10 可知:进给速度不变时,主轴转速越高,每转进给量 fr 越小,钻削的轴向力呈减小趋势。低频振动钻削初期,排屑、切削液及时更新,有益于套料钻的冷却;随着低频振动钻削的进行,磨粒的工作行程加大,且套料钻与工件的摩擦增大,使其轴向钻削力增大。但GFRP 的钻削过程是一个复杂的加工过程,需要考虑的因素很多,如果在试验过程中采用内冷却方法,使其排屑方便、冷却充分,其轴向钻削力随着转速增大而减小的趋势或许更明显,同时也会大大延长套料钻的使用寿命。
3.2 套料钻烧焦概率和磨屑落料方式分析
金刚石颗粒脱落与基体烧焦是金刚石套料钻失效的最主要原因。为减少重复试验次数,在保证样本量充足的前提下,进行变钻削参数的制孔综合统计[2],以套料钻烧焦概率来对比振动加工和常规加工时的刀具寿命。由此在表1 加工试验的基础上,扩大主轴转速、进给速度等工艺参数的组合方式,增加单因素试验和全因素试验,得到表2 所示的金刚石套料钻工况统计表。对于振动加工而言,在主轴转速n1为3 020,3 380和3 790 r/min,进给速度vf为10.0,12.5 和15.6 mm/min,振幅A 为0.015,0.040 和 0.065 mm 时构成全因素试验;同时,在表1 中2#条件的基础上增加振幅A=0.090 mm时的试验。因此,振动制孔试验次数是33+3+4=34 次。对于常规加工, 在表1中2#条件的基础上增加n1 =3 790 r/min 的试验,同时试验过程中的2 次试刀也计入统计,常规制孔试验次数为7+3+2=12 次。根据文献[2]进行变钻削参数套料钻GFRP 制孔试验,套料钻的烧焦概率R1为:
R1= 套料钻烧焦次数=试验次数×100% (6)
此外,磨屑的落料方式是GFRP制孔加工中另一重要的质量指标。磨屑能否自动脱落或能简便快捷地取出,是衡量能否连续批量化加工GFRP 制孔的一个重要因素。在钻削Al2O3工程陶瓷及其层叠复合构件时,需要停机手动从套料钻侧壁的狭长槽中取出磨屑,从而影响了批量化制孔加工的效率[10,15]。ZHENG 等[13]对Al2O3工程陶瓷进行了新式套料钻的低频振动加工试验,发现磨屑可以实现自动落料,但很少有對GFRP低频振动磨屑落料方式的报道。为此,在进行金刚石套料钻钻削GFRP 孔试验时,统计未自动落料及自动落料次数,计算自动落料率R2(自动落料次数与试验总次数的百分比)。
如表2 所示:常规钻削在第6 次钻孔时出现了烧焦现象, 套料钻的烧焦概率为8.33%, 自动落料率为75.00%;而低频振动钻削试验共进行了34 次,GFRP 制孔过程中未出现烧焦现象,仅有4 次未自动落料,其自动落料率为88.24%。
利用VK-X100 激光扫描显微镜对金刚石套料钻工作部的外侧面放大观察,结果如图11 所示。图11a的常规钻削中,表层和下层的金刚石已全部脱落,且在钻削过程中钻头基体部分与工件发生剧烈摩擦,基体表面已磨平;在图11b 的低频振动钻削时,在34 次制孔(表2)后套料钻虽未出现烧焦失效,但工作部的基体部分已出现擦伤,其表层金刚石有脱落,部分下层金刚石逐步出刃而参与磨削。因此,新型薄壁套料钻利用低频轴向振动技术在GFRP 上制孔的优势明显,可大大降低套料钻烧焦的概率,因而延长套料钻寿命。究其原因,是在低频轴向振动钻削时,振动钻削的钻削力虽比常规钻削时的大,但由于在振动周期内磨粒间断性地参与钻削加工过程,只有一半时间参与钻削,给钻头的冷却提供了帮助,从而延长了其使用寿命。
由表2 还可知:在12 次常规钻削和34 次振动钻削过程中,新型薄壁金刚石套料钻表现出很好的优势,自动落料率分别高达75.00% 和88.24%,且振动钻削时的较高。究其原因是套料钻工作部壁薄,高低错落的波浪齿形使得容屑空间增大,磨屑未大量黏附在套料钻内壁,因而摩擦力较小。此外,在套料钻钎焊时,采用了细粒度的金刚石颗粒,产生的磨屑小且不易堵塞容屑空间;加之低频轴向振动加工使得工作部内壁对磨屑的外圆柱面进行轴向重复间断性磨削,此时冷却较为充分,降低了两者间的摩擦,有利于磨屑的排出。同时,周期性地轴向低频振动引起惯性力作用,有助于磨屑自动脱落,提高了其自动落料率。
4 结论
采用新型薄壁金刚石套料钻结合低频轴向振动加工技术对GFRP 制孔,分析低频轴向振动套孔加工中的运动学特性、动力学特性和加工机理,试验研究制孔中的轴向力变化规律,并对套料钻的烧焦概率及磨屑的自动落料率进行分析,得出如下结论:
(1)相比于传统钻削,低频振动套孔加工时的瞬时进给量比常规钻削时的大,其轴向钻削力较常规钻削时的大,且随超声振幅的增大,其轴向钻削力也随之增大。
(2)当主轴转速不变时,随着进给速度的增大,每转进给量也随之增大,单位时间内切削纤维的数量增加,使得轴向钻削力增大;当进给速度不变时,主轴转速越高,每转进给量越小,其钻削力呈现减小的趋势。但2 种情况下的钻削力都比常规钻削时的大。
(3)在低频轴向振动钻削时,套料钻磨粒间断性地参与磨削过程,金刚石逐步出刃,未出现烧焦及基体剧烈磨损现象,提高了套料钻寿命;而常规钻削时,套料钻的基体几乎被磨平,其烧焦概率为8.33%。
(4)常规钻削时的磨屑自动落料率为75.00%,而低频轴向振动钻削时的磨屑自动落料率高达88.24%,可实现GFRP 的连续批量制孔。