CFRP 薄壁圓筒殼端面磨削工藝研究

趙明昊，康仁科，史耀輝，郝宗成，鮑巖，董志剛

（1.大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024；2.上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112）

0 引言

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗腐蝕、阻尼特性好、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、船舶、車輛和醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1-2］。其中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）是一種樹(shù)脂基復(fù)合材料，將基體相的聚合物樹(shù)脂和增強(qiáng)相的碳纖維粘結(jié)在一起制成，具有高比強(qiáng)度和高比剛度、耐腐蝕等諸多優(yōu)勢(shì)，多用于需要降低重量同時(shí)保持高強(qiáng)度和高剛度的航空航天、車輛等領(lǐng)域［3-4］。蜂窩類型結(jié)構(gòu)因制成的結(jié)構(gòu)件比剛度、比強(qiáng)度高，因而成為了航空航天領(lǐng)域的熱門結(jié)構(gòu)［5-7］。

陣列碳纖維復(fù)合材料管是一種類蜂窩結(jié)構(gòu)［8］，該構(gòu)件兼具CFRP 材料的低熱膨脹系數(shù)和蜂窩輕量化、高軸向剛度的優(yōu)良特性［9-11］，是應(yīng)用于航天衛(wèi)星反射面板夾層結(jié)構(gòu)的理想材料結(jié)構(gòu)［12］。然而陣列碳纖維復(fù)合材料管的材料屬性及其弱剛性非連續(xù)結(jié)構(gòu)特征決定了其在加工過(guò)程時(shí)常發(fā)生加工損傷。磨削加工是CFRP 材料加工的常規(guī)手段［13］，劉樹(shù)良等［14］開(kāi)展多向?qū)愉丆FRP 板端面磨削實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度和工具粒度等工藝參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響規(guī)律，影響表面粗糙度各因素的主次順序?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度和工具粒度；周井文等［15］針對(duì)碳纖維復(fù)合材料層壓板切邊加工，采用單層釬焊金剛石磨頭和金剛石涂層玉米銑刀2 種刀具分別對(duì)其進(jìn)行磨削和銑削加工實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磨削加工相比于銑削加工，加工質(zhì)量更好，加工缺陷更少，更適用于CFRP材料的低損傷加工。國(guó)內(nèi)外研究表明，切削力與CFRP 材料加工損傷具有相關(guān)性，切削力導(dǎo)致切削熱的產(chǎn)生，若CFRP 材料的切削溫度高于樹(shù)脂的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，使樹(shù)脂約束纖維的能力下降，從而產(chǎn)生加工損傷［16］，根據(jù)HU等［17］對(duì)CFRP 層合板的磨削試驗(yàn)，當(dāng)切削深度增加時(shí)，磨削力和加工表面粗糙度均增加；SHEIKH-AHMAD等［18］的研究表明，選擇較高的切削速度和較低的切削深度可以獲得較小的切削力和加工表面粗糙度，因此控制CFRP 材料磨削力是實(shí)現(xiàn)其高效低損傷加工的關(guān)鍵。

在工藝參數(shù)對(duì)CFRP 材料磨削力的影響規(guī)律方面，胡安東等［19］研究傳統(tǒng)磨削加工和超聲振動(dòng)輔助磨削加工CFRP 材料時(shí)進(jìn)給率、切削深度對(duì)磨削力的影響規(guī)律，結(jié)果表明切削力均隨進(jìn)給率和切削深度的增加而增大；徐倩等［20］采用正交試驗(yàn)法對(duì)CFRP 材料進(jìn)行了不同加工參數(shù)下的磨削加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響磨削力各因素的主次順序?yàn)槟ハ魃疃?、砂輪線速度和工件進(jìn)給速度。

目前缺少針對(duì)CFRP 薄壁結(jié)構(gòu)的磨削加工研究，上述研究獲得的結(jié)論不能應(yīng)用到CFRP 薄壁圓筒殼。本文開(kāi)展CFRP 薄壁圓筒殼磨削加工實(shí)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分別研究磨削深度、切出角度、磨削速度和進(jìn)給率等工藝參數(shù)對(duì)CFRP 薄壁圓筒殼加工過(guò)程中磨削力的影響規(guī)律，比較各工藝參數(shù)對(duì)磨削力的影響程度，以期為陣列碳纖維復(fù)合材料管的磨削加工提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備、方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

陣列碳纖維復(fù)合材料管為新型結(jié)構(gòu)，由CFRP薄壁圓筒殼通過(guò)特殊的排布方式粘接制成，如圖1（a）所示。CFRP 薄壁圓筒殼結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，內(nèi)徑40 mm，壁厚0.3 mm，由4 層預(yù)浸料USN07500 按照45°/-45°/45°/-45°的纖維方向鋪設(shè)，預(yù)浸料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CFRP 預(yù)浸料參數(shù)Tab.1 Parameters of the CFRP prepreg

圖1 陣列碳纖維復(fù)合材料管Fig.1 Schematic diagram of the CFRP tube array

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

CFRP 薄壁圓筒殼磨削加工實(shí)驗(yàn)在北京凝華NHM800 機(jī)床上進(jìn)行，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。磨削刀具為電鍍金剛石杯形砂輪，其直徑為40 mm，金剛石粒度為100#。

表2 NHM800 機(jī)床技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of machine tool NHM800

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

由于CFRP 薄壁圓筒殼厚度遠(yuǎn)小于其直徑，所以可以忽略CFRP 薄壁圓筒殼的厚度，CFRP 薄壁圓筒殼與杯形砂輪之間可以看作是點(diǎn)接觸。將磨削點(diǎn)處砂輪的磨削方向與CFRP 薄壁圓筒殼沿接觸點(diǎn)未去除材料一側(cè)的相切方向之間的夾角定義為切出角度?。本實(shí)驗(yàn)設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速的正方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，砂輪磨削軌跡如圖2（a）所示。砂輪先沿直線AB進(jìn)給至B點(diǎn)，然后沿以CFRP 薄壁圓筒殼軸心O為圓心的半圓弧BC進(jìn)給至C點(diǎn)，最后沿直線CD進(jìn)給至D點(diǎn)。砂輪沿上述刀具軌跡進(jìn)給時(shí)，當(dāng)砂輪位于半圓弧BC段時(shí)，此時(shí)CFRP 薄壁圓筒殼與砂輪的軸心距e為定值，切出角度?保持不變，通過(guò)測(cè)量BC段的磨削力，便可獲得在切出角度?下的磨削力。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2（b）所示，使用Kistler 9119AA2測(cè)力儀對(duì)CFRP 薄壁圓筒殼磨削力的3 個(gè)方向的分力Fx、Fy、Fz進(jìn)行測(cè)量，使用設(shè)備自帶的濾波軟件對(duì)磨削力數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波，濾波參數(shù)為2 000，并通過(guò)勾股定理計(jì)算水平面合力Fxy。

圖2 CFRP 薄壁圓筒殼磨削實(shí)驗(yàn)Fig.2 Schematic diagram of the grinding test for the CFRP thin-walled circular shell

研究磨削深度h、切出角度?、主軸轉(zhuǎn)速n和進(jìn)給率f等工藝參數(shù)對(duì)CFRP 薄壁圓筒殼磨削力的影響規(guī)律。選擇上述4 個(gè)工藝參數(shù)為因素，每個(gè)因素選取4 個(gè)水平，以水平面合力Fxy和軸向力Fz為試驗(yàn)指標(biāo)，采用L16（45）正交表開(kāi)展4 因素4 水平正交試驗(yàn)，選用的16 組實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。通過(guò)正交試驗(yàn)判斷4 個(gè)參數(shù)分別對(duì)磨削力的影響程度，并分別對(duì)各個(gè)因素下的磨削力影響規(guī)律進(jìn)行分析。

表3 CFRP 薄壁圓筒殼磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Parameters of the grinding test for the CFRP thinwalled circular shell

續(xù)表3 CFRP 薄壁圓筒殼磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)Continued tab.3 Parameters of the grinding test for the CFRP thin-walled circular shell

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

CFRP 薄壁圓筒殼在16 組實(shí)驗(yàn)參數(shù)下的水平面合力Fxy和軸向力Fz見(jiàn)表4。對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行極差分析和方差分析。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of the orthogonal tests

2.1.1 極差分析

要判斷各工藝參數(shù)對(duì)CFRP 薄壁圓筒殼磨削力的影響程度，依據(jù)正交試驗(yàn)對(duì)稱性原理，需建立各個(gè)因素磨削力回應(yīng)值，令

式中：Ki（i=1，2，3，4）為同一因素下第i個(gè)水平試驗(yàn)結(jié)果的均值；R0為同一因素下K1～K4中最大值與最小值之差（極差）。

水平面合力Fxy回應(yīng)表見(jiàn)表5，軸向力Fz回應(yīng)表見(jiàn)表6。其中，Xa為磨削 深度，Xb為切出角度，Xc為主軸轉(zhuǎn)速，Xd為進(jìn)給率。

表5 水平面合力Fxy回應(yīng)表Tab.5 Responses of the horizontal resultant force Fxy

表6 軸向力Fz回應(yīng)表Tab.6 Responses of the axial force Fz

由回應(yīng)表可知，各因素的極差R0之間的差異說(shuō)明各因素隨著水平改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響是不同的。極差越大，說(shuō)明這個(gè)因素隨著水平改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。極差最大的一列，所對(duì)應(yīng)因素隨著水平改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響最大，該因素便是在試驗(yàn)中需要優(yōu)先考慮的因素。

由水平面合力Fxy回應(yīng)表可知，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，水平面合力Fxy最大的組合為Xa4Xb3Xc3Xd4，即當(dāng)磨削深度為5 mm，切出角度為90°，主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，進(jìn)給率為0.3 mm/r 時(shí)，水平面合力Fxy最大。通過(guò)比較水平面合力Fxy回應(yīng)表中各因素的極差R0可知，影響水平面合力的因素主次順序?yàn)檫M(jìn)給率、磨削深度、切出角度、主軸轉(zhuǎn)速。

由軸向力Fz回應(yīng)表可知，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，軸向力Fz最大的組合為Xa1Xb1Xc3Xd3，即當(dāng)磨削深度為2 mm，切出角度為30°，主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，進(jìn)給率為0.25 mm/r 時(shí)，軸向力Fz最大。通過(guò)比較軸向力Fz回應(yīng)表中各因素的極差R0可知，影響軸向力的因素主次順序?yàn)榍谐鼋嵌取⒅鬏S轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、磨削深度。

2.1.2 方差分析

對(duì)水平面合力Fxy正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，見(jiàn)表7。磨削深度、切出角度和進(jìn)給率對(duì)水平面合力有顯著的影響，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)水平面合力影響不顯著。

表7 水平面合力Fxy方差分析Tab.7 Variance analysis of the horizontal resultant force Fxy

對(duì)軸向力Fz正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，見(jiàn)表8。磨削深度、切出角度、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率對(duì)軸向力的影響均不顯著。

表8 軸向力Fz方差分析Tab.8 Variance analysis of the axial force Fz

2.2 各工藝參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律

2.2.1 磨削深度對(duì)磨削力的影響規(guī)律

水平面合力隨著磨削深度增大的變化趨勢(shì)如圖3 所示。由圖可見(jiàn)，水平面合力隨著磨削深度的增大而增大。這是因?yàn)楫?dāng)磨削深度增大時(shí)，CFRP薄壁圓筒殼與砂輪的接觸面積同比增大，砂輪側(cè)面有效磨刃數(shù)顯著增多，導(dǎo)致磨削力的增大。

圖3 磨削深度對(duì)水平面合力的影響Fig.3 Effects of the grinding depth on the horizontal resultant force

2.2.2 切出角度對(duì)磨削力的影響規(guī)律

水平面合力隨著切出角度增大的變化趨勢(shì)如圖4 所示。當(dāng)切出角度小于90°時(shí)，水平面合力隨著切出角度的增大的變化幅度較小；當(dāng)切出角度大于90°時(shí)，水平面合力隨著切出角度的增大而迅速減小。

圖4 切出角度對(duì)磨削力的影響Fig.4 Effects of the cutting angle on the horizontal resultant force

2.2.3 進(jìn)給率對(duì)磨削力的影響規(guī)律

水平面合力隨著進(jìn)給率增大的變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖可見(jiàn)，水平面合力隨著進(jìn)給率的增大而增大。因?yàn)殡S著進(jìn)給率增大，磨削過(guò)程中砂輪側(cè)面活躍磨粒的最大未變形切屑厚度增大，單顆磨粒需去除更多材料而導(dǎo)致單顆磨粒的磨削力增加，同時(shí)砂輪側(cè)面有效磨刃數(shù)不變，最終導(dǎo)致總磨削力增大。

圖5 進(jìn)給率對(duì)磨削力的影響Fig.5 Effects of the feed rate on the horizontal resultant force

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了CFRP 薄壁圓筒殼磨削過(guò)程中磨削深度、切出角度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率等工藝參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律，通過(guò)正交試驗(yàn)分析各工藝參數(shù)對(duì)磨削力影響程度，同時(shí)分別對(duì)磨削力隨各工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

1）影響水平面合力的各工藝參數(shù)主次順序依次為進(jìn)給率、磨削深度、切出角度、主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給率、磨削深度和切出角度對(duì)水平面合力的影響顯著，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)水平面合力的影響不顯著；水平面合力隨進(jìn)給率和磨削深度的增大而增大，隨著切出角度的增大先減小后增大。

2）影響軸向力的各工藝參數(shù)主次順序依次為切出角度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、磨削深度，主軸轉(zhuǎn)速、切出角度、進(jìn)給率和磨削深度對(duì)軸向力的影響均不顯著。

3）水平面合力均隨著磨削深度和進(jìn)給率的增大而增大，若需要減小陣列碳纖維復(fù)合材料管磨削的水平面合力，同時(shí)考慮到提高生產(chǎn)率，應(yīng)優(yōu)先選取較低的進(jìn)給率，可以選取較大的磨削深度。

研究對(duì)CFRP 薄壁圓筒殼和陣列碳纖維復(fù)合材料管高效低損傷加工工藝的制訂具有參考意義。