高模量樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工缺陷分析

程桂香

摘 要：碳纖維材料具有極高的性能，其內(nèi)部含碳量比較高，對(duì)有機(jī)纖維進(jìn)行轉(zhuǎn)換與熱處理之后，可獲取高質(zhì)量的無(wú)機(jī)纖維材料，該材料在力學(xué)性能方面存有比較多的優(yōu)勢(shì)，與金屬、樹(shù)脂以及陶瓷等常見(jiàn)的基體材料有效復(fù)合之后，可被制作成新型結(jié)構(gòu)材料，樹(shù)脂基碳纖維型符合材料在工業(yè)加工領(lǐng)域中具有極為廣泛的用途，對(duì)其進(jìn)行鉆孔處理時(shí)比較容易產(chǎn)生缺陷，現(xiàn)分析因鉆孔加工處理而形成的缺陷問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高模量；樹(shù)脂基碳纖維；復(fù)合材料；鉆孔加工；缺陷

樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料主要有碳纖維材料與樹(shù)脂材料構(gòu)成，這種復(fù)合材料具有極高的強(qiáng)度，其熱膨脹系數(shù)低于同類(lèi)復(fù)合型材料，具有的實(shí)際比模量相對(duì)比較高，因此在汽車(chē)、能源開(kāi)發(fā)以及航空領(lǐng)域中使用，在運(yùn)用這種材料時(shí)，經(jīng)常需要展開(kāi)鉆孔加工處理，受到材料自身具有的性質(zhì)的影響，材料在受到鉆削力的沖擊后，比較容易產(chǎn)生多種缺陷，復(fù)合材料的使用價(jià)值隨之降低，現(xiàn)探討鉆孔加工給具有高模量特點(diǎn)的樹(shù)脂基碳纖維材料帶去的影響。

1 樹(shù)脂基碳纖維材料以及加工缺陷問(wèn)題分析

復(fù)合型樹(shù)脂基碳纖維材料具有的優(yōu)勢(shì)性能值得肯定，但是其缺陷問(wèn)題也必須被加工者注意到，避免產(chǎn)出缺陷明顯的工件。該材料屬于多相型材料，具有較為突出的各向異性，盡管整體強(qiáng)度水平高，但是層間強(qiáng)度比較低，在進(jìn)行鉆削處理工作時(shí)，材料會(huì)隨之產(chǎn)生異常的分層、撕裂以及毛刺等缺陷，加工質(zhì)量也因此而降低。而將該種材料應(yīng)用到航空領(lǐng)域中時(shí)，切邊與鉆孔是出現(xiàn)頻次最高的加工行為，應(yīng)用普通的刀具加工這種新型復(fù)合材料時(shí)，刀具也會(huì)被材料嚴(yán)重磨損，刀具的使用時(shí)間也因此而被縮短。展開(kāi)切削加工活動(dòng)時(shí)，缺陷問(wèn)題會(huì)受到預(yù)設(shè)加工參數(shù)的影響，如果在沒(méi)有解決加工缺陷問(wèn)題的條件下，繼續(xù)增加材料的進(jìn)給量，毛刺與撕裂兩種缺陷問(wèn)題都會(huì)變得更加嚴(yán)重。

在處理切削加工環(huán)節(jié)的技術(shù)缺陷問(wèn)題時(shí)，加工人員將該種缺陷存在的區(qū)域化的特點(diǎn)當(dāng)做研究缺陷問(wèn)題的切入點(diǎn)，探究缺陷特點(diǎn)的形成原因，同時(shí)對(duì)材料分層與鉆削軸向力參數(shù)間的關(guān)系加以考察。

2 基本試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)所用機(jī)床為工研精機(jī)立式加工中心KT1300VC，鉆頭為鄭鉆 f 16 PCD麻花鉆。試驗(yàn)所采用的測(cè)力儀為kistler9257B動(dòng)態(tài)測(cè)力儀。試驗(yàn)所用工件材料為高模量碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料板料，增強(qiáng)纖維類(lèi)型為M55，纖維體積分?jǐn)?shù)為25%，厚度為2mm。鉆削切削的參數(shù)主要有切削速度和進(jìn)給量?jī)蓚€(gè)因素。設(shè)計(jì)試驗(yàn)以轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量為變化因素進(jìn)行全因素試驗(yàn)。

3 缺陷分析

3.1 分層缺陷分析

在鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，當(dāng)層間的載荷超過(guò)層間的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，分層就會(huì)發(fā)生。Hocheng等根據(jù)經(jīng)典的平面彎曲理論和線彈性斷裂機(jī)理分析了鉆削CFRP時(shí)的分層機(jī)理，并對(duì)分層發(fā)生時(shí)臨界軸向力的計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)，結(jié)果

其中，GIC是層間的斷裂韌性，是材料常數(shù)，表示材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗能力，E是拉伸模量，h為未切削層厚度，ν是泊松比，抗彎剛度M=。

本文沿用此計(jì)算公式對(duì)鉆削軸向力和分層之間的關(guān)系進(jìn)行分析。通過(guò)臨界軸向力與實(shí)際軸向力的對(duì)比，可以對(duì)分層的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)。進(jìn)而選擇合理的切削參數(shù)，控制切削力大小，預(yù)防分層的發(fā)生。

分層缺陷是因?yàn)椴牧系呐R界軸向力小于層間載荷，一般在鉆孔部位的中間與入口處并不容易發(fā)現(xiàn)分層缺陷問(wèn)題，但是對(duì)出口位置進(jìn)行考察之后，可以發(fā)現(xiàn)明顯的分層缺陷問(wèn)題，未切削處理部分的厚度在減少，臨界軸向力數(shù)值過(guò)小，分層缺陷的情況隨之產(chǎn)生，處理分層缺陷的難度比較高，對(duì)材料進(jìn)給量進(jìn)行控制，可以化解該缺陷。

進(jìn)給量為0.05mm/r時(shí)，實(shí)際軸向力和出口臨界軸向力大小近似，因此分層較小；當(dāng)進(jìn)給量為0.10mm/r時(shí)，實(shí)際軸向力大于出口臨界軸向力，分層因子有所增大；當(dāng)進(jìn)給量為0.20mm/r時(shí)，實(shí)際軸向力明顯大于出口臨界軸向力，分層因子增加明顯。

根據(jù)鉆削試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式fz=292.3479Vc0.0047fz0.4994

令fz=fcrit=65.08，切削速度VC對(duì)軸向切削力影響忽略不計(jì)，可以求得分層不發(fā)生的最大進(jìn)給量為fcrit=0.0496mm/r。因此，在碳纖維復(fù)合材料的鉆削加工中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際鉆削軸向力的大小，選擇合適的進(jìn)給量，從而減小分層缺陷。

3.2 毛刺缺陷分析

在觀察毛刺缺陷時(shí)，發(fā)現(xiàn)所有的毛刺缺陷都發(fā)生在孔表層特定的位置。可見(jiàn)毛刺的產(chǎn)生與切削速度與纖維方向之間的夾角有關(guān)，定義此夾角為切削角f。在鉆削過(guò)程中，隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)，切削角f在0°～180°之間循環(huán)變化。當(dāng)f位于0°～90°之間時(shí)，鉆頭會(huì)對(duì)工件材料產(chǎn)生正方向的剪應(yīng)力；當(dāng)f位于0°～90°之間時(shí)，鉆頭會(huì)對(duì)工件材料產(chǎn)生負(fù)方向的剪應(yīng)力。因此可以將鉆頭鉆削工件材料過(guò)程分為兩類(lèi)，當(dāng)切削角為銳角時(shí)稱(chēng)為正剪切，當(dāng)切削角為鈍角時(shí)稱(chēng)為負(fù)剪切。而毛刺缺陷只存在于切削角大于0°而小于90°的區(qū)域之內(nèi)，即正剪切區(qū)域。說(shuō)明正剪切時(shí)，工件材料不容易被剪斷，容易形成毛刺缺陷。根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)可知，碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度不同，因此在承受正剪切和負(fù)剪切時(shí)材料所具有的剪切強(qiáng)度相差很大。

通過(guò)前文的分析，可以確定如果待加工的材料保持負(fù)剪切狀態(tài)，其被有效剪切的可能性隨之增加，主要是因?yàn)椴牧显谶@種狀態(tài)下，正剪切狀態(tài)的臨界剪切應(yīng)力高于實(shí)際臨界剪應(yīng)力。結(jié)合材料力學(xué)的相關(guān)理論可以確定，如果加工工件的角度在45°作用時(shí)，正剪切應(yīng)力與工件的纖維材料部分受到的真實(shí)拉應(yīng)力相等，同時(shí)在橫向這一方向會(huì)受到壓應(yīng)力的影響；負(fù)剪切的情況與正剪切的狀況完全相反。從纖維方向來(lái)分析該材料，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度，同時(shí)從橫向的展開(kāi)分析，發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度小于抗壓強(qiáng)度，因此確定處于負(fù)剪切狀態(tài)的工件被切斷的可能性更大。負(fù)剪切與正剪切兩種加工活動(dòng)均會(huì)給工件的強(qiáng)度帶去影響。進(jìn)行正剪切工作時(shí)，如果施加的臨界剪切力度比較大，工件就不會(huì)被輕易切斷，因此也更容易產(chǎn)生毛刺缺陷問(wèn)題；負(fù)剪切的條件下，具體的臨界剪應(yīng)力相對(duì)比較小，相比另外一種情況，工件更容易被直接切斷，毛刺缺陷也被消除。在對(duì)材料進(jìn)行鉆孔處理時(shí)，毛刺缺陷的分布具有區(qū)域性的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以有碳纖維與樹(shù)脂復(fù)合而成的新型碳纖維復(fù)合材料為研究對(duì)象，針對(duì)鉆削加工活動(dòng)的情況，分析了材料可能產(chǎn)生的缺陷問(wèn)題，重點(diǎn)分析了分層缺陷與毛刺缺陷。受到材料本身存在的性能特點(diǎn)的影響，這兩種缺陷極易產(chǎn)生到材料上，在處理這兩種缺陷問(wèn)題前，必須先了解缺陷的形成原因和主要分布區(qū)域，確定材料上的缺陷問(wèn)題之后，必須立即處理該復(fù)合型材料，保持材料的質(zhì)量，提升由樹(shù)脂基碳纖維材料制備的工件的品質(zhì)。

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