碳纤维复合材料超声振动磨削制孔试验研究.pdf

研究设计 ：收稿日期：；修回日期：基金项目：航空科学基金项目（）。第一作者简介：喻伟（），男，江西新余人，硕士研究生，主要研究方向为焊接自动化。通信作者：高延峰（），男，河北邯郸人，博士，教授，主要研究方向为焊接机器人与智能化技术。：碳纤维复合材料超声振动磨削制孔试验研究喻伟，高延峰，熊俊（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 ；南昌航空大学 航空制造工程学院，江西 南昌 ）摘要：针对碳纤维复合材料在传统钻削过程中存在钻削轴向力过大和制孔质量差的问题，笔者提出了超声振动辅助磨削制孔工艺。该工艺在制孔时磨头既绕自身轴线自转又绕孔中心轴线做圆锥摆动公转，同时在磨头轴向施加超声振动；分析了制孔工艺下刀具的运动轨迹，研究了制孔工艺过程中的切削力、切削温度的变化情况；利用扫描电镜对孔出入口处的加工质量进行观测分析。结果表明：超声振动辅助磨削制孔能有效降低制孔轴向力和切削温度；制孔出口处的纤维撕裂、分层和毛刺等缺陷显著减少，孔壁表面也未出现明显的纤维拔出现象。超声振动辅助磨削制孔工艺为碳纤维复合材料的高质量制孔提供了一种新方案。关键词：碳纤维复合材料；超声振动；磨削；制孔质量中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：（）；碳 纤 维 增 强 树 脂 基 复 合 材 料（，）具有质量轻、比强度大和比模量高等优点，在工业上被广泛使用 。孔加工在 材料制造中占据着非常重要的地位 。然而，由于 材料的层间强度低、导热性能差且力学性能呈各向异性，在机械加工过程中极易产生纤维的撕第 卷 第 期 年 月轻工机械 裂、层间分层和基体的热降解等缺陷，严重影响了连接结构的强度和疲劳寿命 。如何实现 构件的高质量制孔成为急需解决的技术难题。在传统钻削 材料过程中，由于钻头横刃处线速度为零，横刃区的材料完全是靠钻头的挤压而形成切屑 ，所以钻孔轴向力非常大。针对传统钻削存在的问题，邵振宇等 对比分析了普通钻削和超声辅助钻削 种加工工艺，试验结果表明超声辅助钻削的钻削 力 降 低 了 ，扭 矩 降 低 了 ，且能有效缓解 材料的出口分层和纤维撕裂等缺陷。高航等 提出了超声振动辅助螺旋铣削制孔新工艺，并比较分析了 种不同加工方法的切削力、切削温度和制孔质量，结果表明相比于普通螺旋铣削与钻削，超声振动辅助螺旋铣削制孔的切削力和切削温度都有所降低，且出口纤维撕裂和毛刺缺陷也明显减少。张辽远等 利用自制的超声振动系统对 材料进行了磨削试验，研究了不同加工参数对切削力和表面质量的影响，结果表明在相同加工参数下，超声辅助加工时表面粗糙度更小。等 采用超声振动辅助制孔方法对 叠层材料进行了试验研究，结果表明超声振动辅助制孔能够有效降低切削力和 材料的表面粗糙度，同时还能提高制孔质量。等 分析了陀螺式铣削制孔工艺的运动学特性，并对 材料进行了陀螺式铣削制孔试验研究，结果表明能够有效降低制孔轴向力，并减少孔出口纤维的撕裂和分层缺陷。为了实现 材料的高质量制孔和降低制孔轴向力，笔者提出一种超声振动辅助磨削制孔方法，利用磨削替代传统的钻削，有助于提高孔加工质量。超声振动辅助磨削制孔方法 超声振动磨削制孔原理超声振动辅助磨削制孔加工原理如图 所示。将磨头自身轴线与孔中心轴线倾斜成一定的角度 ，磨头在绕自身轴线自转的同时，又绕孔中心轴线做圆锥摆动式公转，并沿孔中心轴线方向进给，同时在磨头轴向施加超声振动 。超声振动辅助磨削制孔运动学基本参数主要包括：被加工孔直径 ，磨头直径 ，倾角 ，磨头自转速图 超声振动辅助磨削制孔加工原理 度，磨头公转速度，磨头轴向进给速度，磨头中心沿螺旋线的进给速度，螺旋线直径 ，螺距 和螺旋升角 ，超声振动的振幅 。超声振动辅助磨削制孔运动学模型如图 所示。图 超声振动辅助磨削制孔运动学模型 由图 和图 可知被加工孔的直径 为：。（）刀具中心的进给速度 为：槡。（）式中：是刀具中心在水平面内沿圆周方向上的进给速度，为孔中心轴线方向的进给速度，者都可以通 研究设计喻伟，等：碳纤维复合材料超声振动磨削制孔试验研究图 超声振动辅助磨削制孔刀具中心运动轨迹 像仪、旋转工作台和楔形倾斜基座等组成，其中，楔形倾斜基座的倾角为 。楔形倾斜基座固定在铣床工作台上，测力仪固定在楔形倾斜基座上，旋转工作台固定在测力仪上，而超声振动主轴则悬挂在铣床主轴上。因此，该试验系统能够实现磨头在自转的同时又绕孔中心轴线做圆锥摆动式公转，同时沿孔中心轴线方向进给，并在磨头轴向施加超声振动，即可实现超声振动辅助磨削制孔工艺。图 试验系统 试验材料与刀具试验中所使用的材料为某公司生产的型号为 的 材料，其纤维体积和树脂基体占比分别为 和 ，工件材料尺寸为 ，如图 所示。而且，材料共由 层组成，其中最上层和最下层纤维采用 和 交叉编织，而中间 层采用单向铺层，层之间的纤维方向成 ，其主要性能参数如表 所示。图 材料结构 表 材料主要性能参数 密度（）抗拉强度 拉伸模量 玻璃化温度 伸长率 试验中所使用的刀具为某公司生产的电镀 磨头，磨料粒度号为 ，刀具基体材料为 钢，直径为 ，具体结构如图 所示。图 试验磨削工具 试验加工参数选择为了研究超声振动对 材料制孔过程中的切削力、切削温度和制孔质量的影响，进行了有、无超声振动辅助磨削制孔试验，具体加工参数如表 所示。其中，超声振动频率为 ，磨削制孔加工时的超声振幅为 ，超声振动辅助磨削制孔加工时的超声 研究设计喻伟，等：碳纤维复合材料超声振动磨削制孔试验研究振幅为 。并且，由于 材料树脂基体吸收水分后会导致玻璃化温度下降，从而严重影响 材料的力学性能，所以一般采用干式切削。同时，为了便于切屑的排出，在制孔过程中利用高压冷却气体对被加工孔进行吹扫。表 试验加工参数 试验序号（）（）（），试验结果与分析 制孔轴向力针对同一工件材料，切削力是决定材料入口剥离和出口分层的重要因素，采用 三向测力仪对制孔过程中产生的切削力进行检测，采样频率为 。图 为制孔过程中轴向力的变化情况，其加工参数为：自转转速 ，轴向进给速度 ，公转转速 。由图 可知，在 种磨削制孔工况中，加工过程都被分为入口阶段和出口阶段。其中，入口阶段为磨头从接触工件材料开始到磨头底刃刚切出工件，这一阶段制孔轴向力由零开始逐渐增加至最大，这是因为磨头上参与切削的微小切削刃不断增加，即切削体积逐渐增大，进而制孔轴向力也逐渐变大，并在磨头将要切出工件材料时，轴向力达到最大值；而出口阶段为磨头底刃完全切出工件材料，在这一加工阶段中，由于工件底部材料对磨头的支撑刚度减小而出现让刀现象，轴向力也开始逐渐减小为零，从而使得制孔轴向力曲线呈三角形特征。从图 还可以看出，与无超声振动磨削制孔相比，超声振动辅助磨削制孔时的轴向力要小，且超声振动辅助磨削制孔加工时轴向力的最大值约为 ，相对于无超声振动磨削制孔降幅达到了 左右。图 为自转转速和轴向进给速度对制孔过程中最大轴向力的影响规律。其中，公转转速为 ，图 （）中轴向进给速度为 ，图 （）中自转图 制孔过程中轴向力的变化情况 转速为 。从图 可以看出，在所有加工参数下，超声振动辅助磨削制孔加工产生的轴向力都要比没有超声振动辅助磨削的低。而且，在轴向进给速度为 ，公转转速为 时，随自转转速的增加，制孔过程中的最大轴向力都随之减小；而在自转转速为 时，随轴向进给速度的增加，制孔过程中的最大轴向力也随之增加。相比之下，超声振动辅助磨削制孔轴向力的增大趋势比没有超声振动辅助磨削的要慢。所以说，超声振动辅助磨削制孔工艺能够减小制孔过程中的轴向力，抑制层间分层、纤维撕裂和毛刺等缺陷的产生，更适合于 材料的钻孔加工。切削温度由于 材料的导热性较差且玻璃化温度低，在加工过程中容易产生层间分层、纤维撕裂和基体的热降解等加工缺陷，所以研究加工过程中的切削温度轻工机械 年第期图 不同加工参数下制孔轴向力的变化规律 变化十分有必要。王奔等 对 复合材料进行了螺旋铣削制孔试验研究，发现切削温度是影响制孔质量的重要因素。笔者采用 红外热像仪对制孔过程中的切削温度进行检测，得到其随时间的变化情况如图 所示。由图 可知，种磨削制孔过程中的切削温度变化特征与制孔轴向力相似，其入口阶段的温度逐渐升高，出口阶段的温度逐渐降低，而最高切削温度出现在出、入口的过渡阶段。磨头侧刃与已加工孔壁之间有一定的间隙，使得磨头与工件材料的接触温度能够被红外热像仪测得。在入口阶段，随着磨头不断切入工件材料，参与切削的微小切削刃不断增多，所以切削温度也在逐渐增加，当磨头快要切出工件材料时，切削温度达到最大值；而在出口阶段，随着磨头不断切出工件材料，制孔过程中切削温度呈缓慢下降的趋势。从图 中还可以看出与无超声振动磨削制孔相比，超声振动辅助磨削制孔所产生的切削温度要低，主图 制孔过程中切削温度变化情况 要是因为采用超声振动辅助磨削制孔工艺时，磨头端面与工件材料间存在接触和脱离的过程，间断性的加工使得磨头与工件材料的平均接触时间减小，且磨头侧刃与已加工孔壁之间有一定的间隙，有利于切削区域与外界进行热交换，使得制孔过程中产生的切削热较少，从而切削温度也较低。为了进一步研究不同加工参数对切削温度的影响，在 种方法制孔时利用红外热像仪可测得切削区域的最高温度，并得到其随自转转速和轴向进给速度的变化规律，结果如图 所示。其中，公转转速为 ，图 （）中轴向进给速度为 ，图 （）中自转转速为 。由图 可知，在所有加工参数下，超声振动辅助磨削制孔的最高切削温度都比没有超声振动辅助磨削的低。并且，在轴向进给速度为 ，公转转速为 时，随着自转转速的增加，在有、无超声振动辅助时制孔过程中的最高切削温度都随之增加；而在自转转速为 时，随着轴向进给速度的增加，种加工方式制孔过程中的最高切削温度也随之增加。因此，超声振动辅助磨削制孔工艺能够获得较低的切削温度，这有助于提高被加工孔的孔壁表面质量。制孔质量在复合材料制孔加工过程中，纤维的撕裂、毛刺和层间分层等加工缺陷都是评价复合材料制孔质量好坏的重要指标 。利用扫描电子显微镜（）对入口侧的孔壁形貌进行了观测，结果如图 所示。研究设计喻伟，等：碳纤维复合材料超声振动磨削制孔试验研究图 不同加工参数下切削温度的变化规律 图 被加工孔入口处孔壁 图像 由图 可以看出，在无超声振动磨削制孔时，其入口侧孔壁上出现了明显的层间分层缺陷，这将会降低材料的疲劳强度，造成产品失效；而在超声振动辅助磨削制孔时，孔入口侧孔壁的加工质量较好，没有发现层间分离现象，只是在孔壁表面黏附了一些细小切屑。在相同加工参数时，种加工方式下孔出口部位的形貌及孔壁表面质量如图 所示。图 被加工孔出口处孔壁 图像 由图 可知，在超声振动辅助磨削制孔时，其出口侧的孔壁质量较好，只是出现了轻微的材料剥离现象；而在无超声振动磨削制孔出口侧的孔壁上出现了纤维的撕裂、剥离和毛刺等加工缺陷。所以，超声振动辅助磨削制孔工艺能够有效抑制出口分层缺陷的产生，提高了 材料的制孔质量。为了进一步研究 种加工方式下孔壁表面性状的形成机理，利用 对孔壁中间区域的形貌进行了观测，结果如图 所示。图 被加工孔孔壁中间区域 图像 由图 可以看出在无超声振动磨削制孔加工时，被加工孔孔壁表面不仅出现了明显的纤维拔出和毛刺等缺陷，也存在影响孔壁表面质量的凹坑和残留在孔壁表面的未切断纤维。这是因为在制孔过程中切削刃切断纤维时，纤维偏向材料内部断裂，从而表现为纤维拔出现象。而在超声振动辅助磨削制孔时，孔壁表面的加工质量较好，没有发现层间分层和纤维撕裂的现象。此外，当磨头切削刃在切削层 和层 时，可以看到纤维断口平整，纤维被树脂基体紧密包裹，很难观察到纤维断裂情况；但当磨头切削刃在切削层 和层 轻工机械 年第期时，发现孔壁表面也有轻微的纤维拔出现象。这是由于纤维方向与切削方向成锐角时，纤维在被切断的同时，又受到剪切应力作用，从而使得纤维从树脂基体中被拉出。因此，与无超声振动磨削制孔相比，所提出的超声振动辅助磨削制孔技术能有效提高 材料的制孔质量。结论笔者提出一种超声振动磨削制孔工艺，通过进行有、无施加超声振动辅助磨削试验研究，分析了 材料在磨削制孔加工过程中的切削力和切削温度的变化情况，并对 材料的制孔质量进行了分析测试，得到如下结论：）在相同加工参数下，超声振动辅助磨削制孔轴向力要小于无超声振动磨削制孔；可将制孔过程分为入口阶段和出口阶段，其入口阶段的轴向力逐渐增大，并在磨头将要切出工件材料时达到最大，而出口阶段的轴向力逐渐减小至零，进而使得轴向力曲线呈三角形特征。）在相同加工参数下，超声振动辅助磨削制孔的切削温度明显低于无超声振动磨削制孔；随自转转速和轴向进给速度的增加，制孔过程中的最高切削温度也随之升高。超声振动辅助磨削制孔能够有效降低制孔过程中的轴向力和切削温度，这有助于提高制孔质量。）利用 对 材料的孔出入口部位的加工质量进行观测，发现无超声振动磨削制孔的出口部位有纤维撕裂、分层和毛刺等缺陷，且孔壁表面出现了明显的纤维拔出和凹坑现象；而超声振动辅助磨削制孔则获得了较好的孔壁表面质量。参考文献：，（）：王奔，高航，郭东明 树脂固化温度与纤维铺设方式对 复合材料制孔质量的影响 机械工程学报，（）：涂安，袁信满，张也 碳纤维构件型面数控加工工艺技术研究 机电工程技术，（）：，（）：，：，：，（），（）：张厚江，陈五一，陈鼎昌 碳纤维复合材料（）钻孔出口缺陷的研究 机械工程学报，（）：朱春燕，蒋红宇，张烘洲 飞机装配铣削制孔和钻孔技术对比分析 南京航空航天大学学报，（增刊 ）：邵振宇，姜兴刚，张德远，等 旋转超声辅助钻削的缺陷抑制机理及实验研究 北京航空航天大学学报，（）：高航，孙超，冉冲，等 叠层复合材料超声振动辅助螺旋铣削制孔工艺的试验研究 兵工学报，（）：张辽远，姜大林，尚明伟，等 碳纤维复合材料超声磨削工艺的研究 机械制造，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：高延峰，方向恩，熊俊，等 钛合金叠层构件陀螺铣孔方法 北京航空航天大学学报，（）：王奔，高航，毕铭智，等 复合材料螺旋铣削制孔方法抑制缺陷产生的机理 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