磨削纖維角對碳纖維復合材料磨削性能的影響

婁帥偉，梁國星，馬志飛，呂 明

（1.太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

碳纖維復合材料因其優異的性能如比強度高、比模量大等而開始應用于航空航天等領域高端裝備上[1]。然而，由于纖維與基體之間的界面結合力弱以及各向異性等特點，使其成為典型的難加工材料，嚴重制約著碳纖維復合材料的廣泛應用。因此，近年來碳纖維復合材料的加工技術受到了極大的關注。

針對碳纖維復合材料的各種機械加工方面的研究一直集中在鉆孔、銑削等力學性能和刀具磨損上。文獻[2]建立鉆削分層損傷臨界軸向力解析模型，為抑制鉆削出口分層損傷奠定了堅實的理論基礎。文獻[3]對上述模型進行了改進，考慮了材料各向異性對臨界軸向力的影響，使模型與真實情況更加符合。文獻[4]研制的磨料群可控排布超硬磨粒電鍍砂輪，有效避免了砂輪堵塞現象。文獻[5]用不同類型金剛石涂層鉆頭進行鉆削試驗，得出了磨損形式及機理。現代航空工業中，盡管可以通過近凈成形生產部件，但通常需要機加工來控制所需的形位公差和表面粗糙度，磨削往往是最終加工工序[6]。但是目前對磨削加工的研究較少，然而，隨著上述應用領域對裝配精度和構件力學性能要求的不斷提高，毛刺和撕裂等表面缺陷對裝配精度影響較大，越來越引起人們的重視。

針對T300 碳纖維復合材料展開磨削試驗，研究其在磨削過程中力的各向異性行為，以及磨削深度對各向異性行為的影響規律，進行了單顆粒磨削試驗，這有助于解釋該過程中的磨削現象，此外，對各向異性的力學行為作用產生的加工表面進行分析，討論了磨削機理和纖維損傷。

2 試驗方案

試驗所用材料為T300 型碳纖維復合材料，碳纖維體積分數為68%，相關力學性能，如表1 所示。試驗所用樣件制作成尺寸為（30×30×8）mm 的小塊板料，并通過對層合板按不同方向加工得到0°、45°和90°纖維方向角，得到的樣件進行不同纖維方向角下的端面磨削試驗。試驗所用刀具為200#金剛石砂輪，直徑100 mm。

為了展開碳纖維復合材料的磨削試驗，在MV-40 型立式加工中心的基礎上搭建了磨削試驗系統平臺，如圖1 所示。該平臺由機床部分和磨削力測量系統組成。由于碳纖維復合材料具有吸濕性[7]，在加工過程中會吸收水分而導致分層、剝離等缺陷加劇，因此整個過程采用干磨削加工。

表1 試驗用碳纖維復合材料相關性能Tab.1 Related Properties of Carbon Fiber Composites for Testing

圖1 磨削試驗配置圖Fig.1 Grinding Test Configuration

3 結果與分析

3.1 磨削力的結果與分析

圖2 磨削力測量曲線Fig.2 Grinding Force Measurement Curve

主軸轉速4000r/min、進給速度150mm/min、磨削深度為200μm、GFA=0°時的磨削力測量曲線，如圖2 所示。T=5s 時刀具與工件接觸，T=7s 時接觸弧區達到最大進入穩定磨削，從圖中可以看出，隨著接觸弧區的增大，各個分力（Fx 是徑向磨削力，Fy 是主磨削力，Fz 是切深抗力）都逐漸增大直至達到穩定的值。測量磨削力的兩個正交分量，即平行于磨削方向的主磨削力和垂直于磨削方向的切深抗力，在主軸轉速4000r/min、進給速度150mm/min、不同磨削纖維角（grinding fiber angle 以下簡稱GFA）下磨削力隨磨削深度的變化情況，如圖3 所示。顯然，磨削深度和GFA 對磨削力都有著明顯的影響。主磨削力和切深抗力都隨著磨削深度的增加而增加，并且從總體上看切深抗力大于主磨削力，這說明碳纖維復合材料存在較為明顯的加工回彈現象。此外，在使用相同的磨削參數組合時，主磨削力和切深抗力均有相同的規律，即同一磨削參數不同GFA 下的磨削力大小關系為45°＞90°＞0°。

圖3 磨削力隨GFA、磨削深度變化趨勢Fig.3 Grinding Force Changes with GFA， Grinding Depth

圖4 單顆粒磨削試驗不同GFA 下的磨削力Fig.4 Single Particle Grinding Test Grinding Force Under Different GFA

為了進一步驗證GFA 對磨削力的影響規律，設計了單顆粒磨削試驗，采用符合磨削實際過程的工件固定、金剛石顆粒固定在砂輪基體的方式，砂輪采用對稱設計以保證整體的動平衡度，結合局部配重法來實現砂輪高速回轉動平衡的要求。不同GFA時進行單顆粒磨削的磨削力結果，如圖4（取三次測量的平均值）所示。可以看出GFA 對磨削力影響較為明顯，具體關系為45°＞90°＞0°，與上述磨削力有較高的一致性。

3.2 力學模型

在單向碳纖維復合材料磨削過程中，碳纖維通常沿纖維方向受到拉伸破壞，并且在垂直于纖維的方向上受到剪切破壞。在簡化模型中，磨粒的磨削力等于纖維的軸向和橫向力的組合。軸向和橫向阻力假定為σ 和τ，并且垂直于磨削方向的磨削作用的投影面積是S，然后，可以通過以下方式計算磨粒沿磨削方向的磨削力[8]：

顯然，當GFA=0°時Fg=Sτ，當GFA=90°時Fg=Sσ。考慮到樣件厚度小于砂輪寬度這一情況，假設與工件接觸的砂輪共有N個切片，并且每個切片的切割點是n 個磨粒，則在GFA=θ 處產生的總磨削力F 可表示為：

計算F 與θ 的關系可以發現，當θ 在0°到45°時磨削力F 逐漸增大，在45°到90°時逐漸減小。理論分析與上述實驗結果較為一致，合理的解釋了當GFA=45°時有最大磨削力這一實驗結論。

3.3 表面粗糙度

利用SM-100 型共焦三維輪廓測量儀對不同GFA、磨削速度為4000r/min、磨削深度為200μm 情況下的已加工表面進行掃描，在X、Y 軸方向測量范圍均為0.5mm、掃描間距均為0.001mm，采用單向掃描以0.25mm/s 的掃描速度得出三維形貌圖像和相應的表面粗糙度（Sa），如圖5 所示。

圖5 不同GFA 下的三維形貌圖及其面粗糙度Fig.5 Three-Dimensional Topography and Surface Roughness Under Different GFA

圖6 不同GFA 下表面粗糙度隨磨削深度的變化Fig.6 Surface Roughness of Different GFA Changes with Grinding Depth

對于不同GFA 下表面粗糙度隨磨削深度的變化情況，如圖6 所示。相同的磨削參數、不同GFA 下粗糙度都隨著磨削深度的增加而增加。相同GFA 不同磨削深度時，GFA=45°時有較好的表面粗糙度，GFA=90°時次之，GFA=0°時最差。另外，在磨削深度為50μm 和100μm、GFA 為45°和90°時粗糙度大小相近，這是因為在比較小的磨削深度下，GFA 對粗糙度的影響較小[9]。在GFA=0°時的三維形貌中看到一些條狀凹坑，產生這一現象的主要原因是在纖維與樹脂的結合處脫粘而導致的纖維破壞并產生長條形磨屑[10]，這同時也是GFA=0°時出現最差加工表面的原因。GFA 為45°時表面存在著類似于0°時的加工缺陷，但從數量和面積上遠遠小于0°。在GFA 為90°時加工表面上有一些斑點狀的凸起和凹坑，這是由于在材料去除時存在著毛刺和纖維拔出現象。

3.4 表面顯微形貌

為了進一步評估已加工表面質量，在不同GFA 時的典型微觀表面形貌和表面缺陷，如圖7、圖8 所示。在GFA=0°時大多數纖維暴露在加工表面，如圖7（a）所示。這表明在加工的過程中發生纖維與樹脂的剝離，而在8（a）中可以看到加工表面上有碎裂的纖維和一些本應由纖維占據的凹坑，這是由于纖維與樹脂的粘結強度遠小于纖維的破壞強度，所以在磨削加工時優先發生的破壞是纖維在磨粒的作用下與基體剝離并彎曲直至達到彎曲破壞的臨界值發生斷裂從而實現材料去除。

圖7 加工表面典型形貌Fig.7 Typical Surface Topography

圖8 加工表面典型缺陷Fig.8 Typical Defects of the Machined Surface

在GFA=90°時大多數纖維斷口較為平整光滑，如圖7（c）所示。這表明在材料去除過程中由剪切引起的纖維斷裂占據主導。由于刀具的連續擠壓，纖維在與刀具接觸前就會彎曲，隨著刀具的進給變形量持續增加，直到達到纖維破壞強度而發生斷裂，這種情況下，最易發生纖維與基體之間的剝離而形成亞表層損傷，如圖8（c）所示。在GFA=45°時由于樹脂的摩擦和耕犁作用使已加工表面大部分由樹脂覆蓋，如圖7（b）所示。這也是造成GFA=45°時面粗糙度最小的原因之一。從裸露的纖維斷口表面形貌可以看出纖維斷面與纖維方向垂直的斷口，這是由于磨粒的剪切作用，在圖8（b）中還觀察到纖維與基質的剝離現象，但剝離長度相對于GFA=90°時非常有限，這表明材料去除主要是由剪切和壓縮作用共同作用引起的。

4 結論

在碳纖維復合材料的磨削過程中，磨削力隨著GFA 的變化而變化，且大小順序為45°＞90°＞0°，表面粗糙度大小與之相反；材料去除過程中，與基質材料相比，碳纖維對加工結果的影響更大；GFA對已加工表面微觀結構起重要作用，不同GFA 下產生的損傷形式不同，磨削纖維角為0°時材料去除機制是以彎曲破壞為主，90°時以剪切破壞為主，45°時則是由彎曲和剪切破壞共同引起。