旋轉(zhuǎn)超聲銑削碳/碳復(fù)合材料表面三維粗糙度研究

束 靜,廖文和,鄭 侃

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210018)

碳/碳復(fù)合材料因為低比重、高比強(qiáng)、高比模和低熱膨脹系數(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器等領(lǐng)域[1]。其優(yōu)異的耐熱沖擊性能和耐燒蝕性能使碳/碳復(fù)合材料成為固體火箭推力器喉襯、隔熱罩等的理想材料,所以碳/碳復(fù)合材料的耐燒蝕機(jī)理成為關(guān)注的重點(diǎn)。Liu等[2]通過高導(dǎo)熱單向碳/碳復(fù)合材料氧乙炔火焰的燒蝕,發(fā)現(xiàn)垂直于火焰的材料傳熱能力提高,并且界面和空隙暴露在火焰中會導(dǎo)致燒蝕率的增加。吳小軍等[3]分析了燒蝕角度對改性后的碳/碳復(fù)合材料燒蝕性能的影響,發(fā)現(xiàn)纖維從橫向到軸向鋪層,材料的耐燒蝕性能呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢。根據(jù)相關(guān)研究,碳/碳復(fù)合材料中纖維方向與燒蝕表面的角度會影響材料表面的耐燒蝕性能,并且表面的高度起伏會加劇燒蝕過程中熱密流的沖刷作用。同時表面和亞表面空隙和裂紋等缺陷會阻礙熱傳遞,導(dǎo)致耐燒蝕性能的降低,所以材料表面的耐燒蝕性能與表面微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

在實際工程中,為了滿足大規(guī)模、低成本的生產(chǎn)需要以及裝配要求,需對一體成型的碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)械加工。然而由于碳/碳復(fù)合材料由纖維增強(qiáng)體和基體組成,呈多相性和各向異性,在加工過程中會形成各種損傷[4]。安慶龍等[5]研究了碳纖維斷裂機(jī)理以及不同纖維切角對表面形貌的影響,發(fā)現(xiàn)平行于纖維切削時以面內(nèi)剪應(yīng)力為主導(dǎo),得到相對平滑的加工表面;垂直纖維切削時纖維以剪應(yīng)力為主導(dǎo)造成剪切-斷裂分離,加工表面有規(guī)律的纖維交叉斷裂。該團(tuán)隊也通過對單根纖維的斷口形貌分析,發(fā)現(xiàn)了彎曲斷裂、剪切斷裂、壓縮斷裂和纖維/基體脫粘四種基本斷裂形式,發(fā)現(xiàn)表面空隙主要由纖維脫粘產(chǎn)生和擴(kuò)展引起,其次是纖維彎曲剪切斷裂[6]。

近年來,旋轉(zhuǎn)超聲技術(shù)被廣泛應(yīng)用于加工碳纖維復(fù)合材料、陶瓷等。郭偉華等[7]發(fā)現(xiàn)在機(jī)器人銑削中超聲振動可以有效減小切削力,抑制機(jī)器人的銑削顫振。Xue等[8]提出了基于超聲振動纖維斷裂應(yīng)力的計算方法,發(fā)現(xiàn)超聲振幅可以改變纖維剪切角度,增加纖維剪切力,使纖維以剪切斷裂去除,提高銑削表面質(zhì)量。Chen等[9]探討了碳化硅復(fù)合材料中碳纖維微尺度斷裂機(jī)理和在超聲輔助磨削中的斷裂機(jī)理的轉(zhuǎn)變。發(fā)現(xiàn)超聲振動減小最大磨削厚度,促進(jìn)纖維沿內(nèi)部微裂紋發(fā)生脆性斷裂,減小纖維與基體的脫粘。

目前有關(guān)旋轉(zhuǎn)超聲銑削碳纖維復(fù)合材料的表面質(zhì)量研究主要集中在二維粗糙度以及分析表面形貌分析[10]等,然而復(fù)合材料的各向異性決定了三維粗糙度的表征方法更加科學(xué)合理。并且,從高性能制造的角度出發(fā),以“面”為切入點(diǎn),研究其服役性能更具說服力。為此,本文開展了旋轉(zhuǎn)超聲銑削碳/碳復(fù)合材料的端銑和側(cè)銑試驗,選取了三維粗糙度Sa、Sq、Sku和Sdr作為表征參數(shù),并分析討論了超聲場能對碳/碳復(fù)合材料表面質(zhì)量的改善趨勢和機(jī)制。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料和裝置

試件材料采用的碳/碳復(fù)合材料為二維正交針刺纖維結(jié)構(gòu),層間間隔插入針刺纖維,在一整塊復(fù)合材料板上進(jìn)行銑削試驗然后分割為小塊試件。試驗設(shè)備如圖1所示,旋轉(zhuǎn)超聲銑削試驗在KVC1050N立式數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行。旋轉(zhuǎn)超聲系統(tǒng)由刀具、變幅桿、壓電陶瓷換能器和超聲發(fā)生器組成。超聲發(fā)生器產(chǎn)生的電信號通過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l機(jī)械振動,經(jīng)過變幅桿放大后施加在刀具上形成穩(wěn)定的20 kHz軸向振動。所用刀具為φ6 mm的直柄聚晶金剛石(Poly-crystalline diamond,PCD)立銑刀,刀具具體參數(shù)如表1所示。

圖1 機(jī)床加工中心和超聲設(shè)備

表1 刀具參數(shù)

1.2 試驗方案

為了更好地對比銑削參數(shù)和超聲振幅對銑削表面粗糙度的影響,分別開展了旋轉(zhuǎn)超聲端銑和側(cè)銑碳/碳復(fù)合材料試驗,如表2和表3所示。采用激光顯微鏡(KEYENCE,VK-X 100 series)和掃描電鏡(SEM)對銑削表面進(jìn)行觀測,對試件表面上5個小區(qū)域進(jìn)行觀測,然后選取每個小區(qū)域內(nèi)5個60μm×60μm的區(qū)域進(jìn)行粗糙度觀測,得到各加工參數(shù)下的試件表面粗糙度均值。

表2 端銑試驗參數(shù)設(shè)置

表3 側(cè)銑試驗參數(shù)設(shè)置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 旋轉(zhuǎn)超聲端銑對三維粗糙度的影響

通過激光顯微鏡對各碳/碳復(fù)合材料試件的端銑表面進(jìn)行測量,重點(diǎn)觀測橫向纖維區(qū)域。圖2是激光顯微鏡下兩種加工方式表面形貌及高度差異對比結(jié)果。從圖中可以看到普通銑削表面有大量的纖維拔出留下的凹坑。高度分布圖中也有明顯的高度差,整個區(qū)域中最低點(diǎn)和最高點(diǎn)高度差可達(dá)92 μm。與其相比,旋轉(zhuǎn)超聲銑削表面沒有明顯的凹坑缺陷和高度差,表面較為平整。

圖2 激光顯微鏡觀測圖像和高度分布圖像

為對加工表面的差異性進(jìn)行定量分析,采用三維粗糙度進(jìn)行表征和分析。選取的粗糙度包括幅度參數(shù)Sa、Sq、Sku和復(fù)合參數(shù)Sdr,具體的定義和計算方法如表4所示。幅度參數(shù)可以很好地衡量表面高度起伏性狀,其中判斷粗糙度形狀尖銳度的峭度Sku是反映高度分布曲線頂端尖峭或扁平的指標(biāo)。當(dāng)呈正態(tài)分布時,Sku值為3,當(dāng)峭度小于3時,高度分布相對于平均面偏上,峭度大于3時,高度分布較為尖銳。界面擴(kuò)展面積比Sdr指相對于定義區(qū)域的面積增大比例,其值越大代表表面積越大,也意味著在燒蝕過程中的氧化面積增大。圖3和圖4[11]分別是銑削參數(shù)和超聲參數(shù)對幅度參數(shù)和復(fù)合參數(shù)的影響。

圖3 三維粗糙度Sa,Sq和Sku隨銑削參數(shù)和超聲振幅的變化規(guī)律

圖4 三維粗糙度Sdr隨銑削參數(shù)和超聲振幅的變化規(guī)律

表4 表面粗糙度定義和計算公式

圖3(a)～(d)分別是Sa、Sq和Sku隨主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切深和超聲電流的變化。旋轉(zhuǎn)超聲端銑表面的Sa和Sq均小于普通銑削表面,最高可減少28%。Sa和Sq隨主軸轉(zhuǎn)速的增大先增加后減小,隨進(jìn)給速度和切深的增加逐漸減小,整體較為平穩(wěn)。傳統(tǒng)銑削表面的Sa和Sq隨主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的增加呈波動狀態(tài),隨切深的增加逐漸增大。通過對比Sku值發(fā)現(xiàn),施加高頻振動沖擊后Sku值有明顯增大且都大于3,此時的銑削表面高度分布尖銳,各點(diǎn)高度集中在一定范圍內(nèi),表面較平均。在圖3(d)中,Sa和Sq隨超聲電流先減小后增大,在超聲電流為100 mA時粗糙度最低。對比結(jié)果表明較大的超聲電流并不能減小粗糙度,此時電流過大時銑削系統(tǒng)不穩(wěn)定,導(dǎo)致加工質(zhì)量降低。

圖4(a)～(d)分別是Sdr隨主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切深和超聲電流的變化規(guī)律。從圖中可以發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)超聲銑削的Sdr曲線都在普通銑削之下,表明超聲場能的攝入有效減少了銑削表面的表面積,最大可減少65%。在圖4(a)、(b)和(c)中,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,超聲振動使Sdr先增大后持續(xù)減小。高頻的超聲振動使Sdr隨進(jìn)給速度和切深的增加變化趨勢一致,皆大幅減小并趨于平穩(wěn),這與普通銑削中Sdr的變化規(guī)律差別較大。普通銑削的Sdr無明顯的變化規(guī)律,數(shù)值浮動較大,差值達(dá)到了2 μm。隨著超聲電流的增加,Sdr在50、100和200 mA時Sdr較小,如圖4(d)所示。Sdr的變化趨勢與幅度參數(shù)Sa和Sq一致。

2.2 旋轉(zhuǎn)超聲側(cè)銑對表面粗糙度的影響

固體火箭推力器喉襯加工時需要對內(nèi)壁面進(jìn)行側(cè)銑,因此,需分析超聲場能對側(cè)銑的影響效應(yīng)。側(cè)銑時,纖維方向和刀具進(jìn)給方向呈一定角度,不同角度對應(yīng)的銑削表面形貌有顯著區(qū)別[8]。為了更好地描述纖維與進(jìn)給的角度關(guān)系,定義纖維切削角θ為進(jìn)給方向與去除材料纖維取向的夾角,如圖5所示。通過激光顯微鏡對側(cè)銑后不同纖維切削角的銑削形貌進(jìn)行觀察,并測量其粗糙度。

圖5 纖維切削角示意圖

圖6是激光顯微鏡觀測各纖維切削角下有無超聲銑削表面高度形貌,在15°～75°時,高頻振動沖擊效應(yīng)使銑削表面更加平整,鮮有凹坑和空隙。在75°～165°時,普通銑削表面質(zhì)量明顯下降,出現(xiàn)了很多纖維拔出留下的條形凹坑,而旋轉(zhuǎn)超聲銑削可以有效減少表面凹坑,表面缺陷的數(shù)量和面積也明顯降低。

圖6 旋轉(zhuǎn)超聲銑削和普通銑削在各纖維切削角下的高度形貌

旋轉(zhuǎn)超聲銑削和普通銑削在不同纖維切削角側(cè)銑后的表面糙度如圖7(a)～(d)所示。從中不難發(fā)現(xiàn),銑削表面經(jīng)過超聲振動沖擊后Sa和Sq均有所降低。在105°～165°時超聲振動的改善效果較好,尤其在165°時將Sa和Sq減少了33%;在15°～75°時,也分別減少了8%～21%。圖7(c)中Sku都大于3,超聲場能的攝入使75°～135°纖維切削角下的Sku都大于普通銑削,表明此時表面高度分布集中在一定范圍內(nèi)。另外,圖7(d)中可以看出超聲振動的攝入使Sdr在各纖維切角下均小于普通銑削,旋轉(zhuǎn)超聲銑削表面的表面積較小,意味著有更少的凹坑和尖峰,表面更平整。

圖7 旋轉(zhuǎn)超聲銑削和普通銑削在不同纖維切削角下的粗糙度

從圖7中還可以看出無論是旋轉(zhuǎn)超聲銑削還是普通銑削,碳/碳復(fù)合材料表面粗糙度與纖維切削角的變化密切相關(guān)。Sa和Sq隨纖維切削角的變化而發(fā)生規(guī)律性改變;在15°～75°時Sa和Sq較低,此時處于順纖維切削,在105°～165°時,Sa和Sq大幅增加,在135°時達(dá)到最大。隨著切削角的增加,Sku值波動較小,在較大切削角時會有小幅度增加,表面高度較為集中。Sdr在105°～135°時達(dá)到峰值,此時處于逆纖維銑削,表面加工凹坑缺陷較多,增加了表面積。

2.3 分析與討論

從上述的對比分析發(fā)現(xiàn),在端銑時超聲振動不僅使表面粗糙度降低,而且使粗糙度變化的規(guī)律性更為顯著。這是因為隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,刀具的切削速度隨之增加,軸向超聲振動的攝入使刀具不斷沖擊材料,減少了動態(tài)切削厚度,降低了切削力,保持加工系統(tǒng)的穩(wěn)定。與Liu等[6]針對超聲振動對碳纖維復(fù)合材料的去除機(jī)理的研究結(jié)果相一致。隨著進(jìn)給速度和切深的增加,普通銑削中隨著刀具進(jìn)給,切削力不斷增大,纖維受到刀具持續(xù)不斷的作用力,導(dǎo)致纖維的彎曲脫粘和拔出。而在旋轉(zhuǎn)超聲銑削中,超聲振動的高頻沖擊作用引起刀具和工件周期性的分離,切削力也隨之波動,纖維在短時間內(nèi)受到交變應(yīng)力,更容易斷裂去除,避免了拉扯撕裂帶來的損傷。

在側(cè)銑中不同纖維切削角下時,超聲場能的攝入均能有效改善表面粗糙度,特別是在逆纖維銑削105°～165°時,效果尤為顯著。原因一方面在于軸向超聲振動改變了刀尖的運(yùn)動軌跡和刀刃與纖維的接觸,使纖維受到的剪切作用增強(qiáng),有利于纖維的去除。隨著刀具的進(jìn)給,部分纖維斷裂從拉拔斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袛嗔?纖維彎曲、與基體的脫粘減少,形成的裂紋和凹坑也會隨之減少。上述也符合文獻(xiàn)[8]對纖維斷裂機(jī)理的研究結(jié)果。另一方面,刀具上的軸向振動使脆性碳基體變得容易破碎,便于材料的去除。在刀具進(jìn)給過程中軸向振動也會使纖維內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋,纖維在受力時會沿著微裂紋斷裂,避免了達(dá)到彎曲應(yīng)力才斷裂,再一次減少了纖維的彎曲和脫粘,有利于纖維的去除。

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)開展了旋轉(zhuǎn)超聲銑削碳/碳復(fù)合材料表面三維粗糙度的試驗研究,得到以下4點(diǎn)結(jié)論：

(1)旋轉(zhuǎn)超聲端銑減少了大量纖維彎曲以及與基體的脫粘,有利于纖維的去除,減少纖維拔出凹坑,使銑削表面粗糙度Sa和Sq降低了28%,Sdr最高可減少65%,并且使銑削表面高度集中在一定范圍內(nèi),加工表面更加平整。

(2)在不同纖維切削角下,超聲振動均可以有效改善表面粗糙度,在逆纖維銑削時效果更加明顯。旋轉(zhuǎn)超聲側(cè)銑表面粗糙度Sa和Sq最高可減少33%,Sdr最高可減少58%。

(3)三維粗糙度可以有效衡量加工表面整體的高度起伏性狀,旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)可以有效降低加工表面的三維粗糙度,使加工表面峰谷減少,表面更加平整。

(4)在主軸轉(zhuǎn)速為4 000 r·min-1、進(jìn)給速度為100～200 mm·min-1、切深為0.8 mm、超聲電流為100 mA銑削時表面粗糙度較好,加工中微裂紋和空隙減少,可在一定程度上提高材料的耐燒蝕性能。