旋轉超聲銑削碳/碳復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 機械工程學院,江蘇 南京 210018)

碳/碳復合材料因為低比重、高比強、高比模和低熱膨脹系數被廣泛應用于航空航天、兵器等領域[1]。其優異的耐熱沖擊性能和耐燒蝕性能使碳/碳復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/碳復合材料的耐燒蝕機理成為關注的重點。Liu等[2]通過高導熱單向碳/碳復合材料氧乙炔火焰的燒蝕,發現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/碳復合材料燒蝕性能的影響,發現纖維從橫向到軸向鋪層,材料的耐燒蝕性能呈先增強后減弱的趨勢。根據相關研究,碳/碳復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構密切相關。

在實際工程中,為了滿足大規模、低成本的生產需要以及裝配要求,需對一體成型的碳/碳復合材料進行機械加工。然而由于碳/碳復合材料由纖維增強體和基體組成,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理以及不同纖維切角對表面形貌的影響,發現平行于纖維切削時以面內剪應力為主導,得到相對平滑的加工表面;垂直纖維切削時纖維以剪應力為主導造成剪切-斷裂分離,加工表面有規律的纖維交叉斷裂。該團隊也通過對單根纖維的斷口形貌分析,發現了彎曲斷裂、剪切斷裂、壓縮斷裂和纖維/基體脫粘四種基本斷裂形式,發現表面空隙主要由纖維脫粘產生和擴展引起,其次是纖維彎曲剪切斷裂[6]。

近年來,旋轉超聲技術被廣泛應用于加工碳纖維復合材料、陶瓷等。郭偉華等[7]發現在機器人銑削中超聲振動可以有效減小切削力,抑制機器人的銑削顫振。Xue等[8]提出了基于超聲振動纖維斷裂應力的計算方法,發現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,提高銑削表面質量。Chen等[9]探討了碳化硅復合材料中碳纖維微尺度斷裂機理和在超聲輔助磨削中的斷裂機理的轉變。發現超聲振動減小最大磨削厚度,促進纖維沿內部微裂紋發生脆性斷裂,減小纖維與基體的脫粘。

目前有關旋轉超聲銑削碳纖維復合材料的表面質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合理。并且,從高性能制造的角度出發,以“面”為切入點,研究其服役性能更具說服力。為此,本文開展了旋轉超聲銑削碳/碳復合材料的端銑和側銑試驗,選取了三維粗糙度Sa、Sq、Sku和Sdr作為表征參數,并分析討論了超聲場能對碳/碳復合材料表面質量的改善趨勢和機制。

1 試驗設計

1.1 試驗材料和裝置

試件材料采用的碳/碳復合材料為二維正交針刺纖維結構,層間間隔插入針刺纖維,在一整塊復合材料板上進行銑削試驗然后分割為小塊試件。試驗設備如圖1所示,旋轉超聲銑削試驗在KVC1050N立式數控機床上進行。旋轉超聲系統由刀具、變幅桿、壓電陶瓷換能器和超聲發生器組成。超聲發生器產生的電信號通過傳感器轉變為高頻機械振動,經過變幅桿放大后施加在刀具上形成穩定的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,刀具具體參數如表1所示。

圖1 機床加工中心和超聲設備

表1 刀具參數

1.2 試驗方案

為了更好地對比銑削參數和超聲振幅對銑削表面粗糙度的影響,分別開展了旋轉超聲端銑和側銑碳/碳復合材料試驗,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)對銑削表面進行觀測,對試件表面上5個小區域進行觀測,然后選取每個小區域內5個60μm×60μm的區域進行粗糙度觀測,得到各加工參數下的試件表面粗糙度均值。

表2 端銑試驗參數設置

表3 側銑試驗參數設置

2 試驗結果分析

2.1 旋轉超聲端銑對三維粗糙度的影響

通過激光顯微鏡對各碳/碳復合材料試件的端銑表面進行測量,重點觀測橫向纖維區域。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,整個區域中最低點和最高點高度差可達92 μm。與其相比,旋轉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行定量分析,采用三維粗糙度進行表征和分析。選取的粗糙度包括幅度參數Sa、Sq、Sku和復合參數Sdr,具體的定義和計算方法如表4所示。幅度參數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。當呈正態分布時,Sku值為3,當峭度小于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。界面擴展面積比Sdr指相對于定義區域的面積增大比例,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]分別是銑削參數和超聲參數對幅度參數和復合參數的影響。

圖3 三維粗糙度Sa,Sq和Sku隨銑削參數和超聲振幅的變化規律

圖4 三維粗糙度Sdr隨銑削參數和超聲振幅的變化規律

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隨主軸轉速、進給速度、切深和超聲電流的變化。旋轉超聲端銑表面的Sa和Sq均小于普通銑削表面,最高可減少28%。Sa和Sq隨主軸轉速的增大先增加后減小,隨進給速度和切深的增加逐漸減小,整體較為平穩。傳統銑削表面的Sa和Sq隨主軸轉速和進給速度的增加呈波動狀態,隨切深的增加逐漸增大。通過對比Sku值發現,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,各點高度集中在一定范圍內,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不穩定,導致加工質量降低。

圖4(a)～(d)分別是Sdr隨主軸轉速、進給速度、切深和超聲電流的變化規律。從圖中可以發現,旋轉超聲銑削的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,隨著主軸轉速的增加,超聲振動使Sdr先增大后持續減小。高頻的超聲振動使Sdr隨進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,這與普通銑削中Sdr的變化規律差別較大。普通銑削的Sdr無明顯的變化規律,數值浮動較大,差值達到了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Sa和Sq一致。

2.2 旋轉超聲側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壁面進行側銑,因此,需分析超聲場能對側銑的影響效應。側銑時,纖維方向和刀具進給方向呈一定角度,不同角度對應的銑削表面形貌有顯著區別[8]。為了更好地描述纖維與進給的角度關系,定義纖維切削角θ為進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銑后不同纖維切削角的銑削形貌進行觀察,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,普通銑削表面質量明顯下降,出現了很多纖維拔出留下的條形凹坑,而旋轉超聲銑削可以有效減少表面凹坑,表面缺陷的數量和面積也明顯降低。

圖6 旋轉超聲銑削和普通銑削在各纖維切削角下的高度形貌

旋轉超聲銑削和普通銑削在不同纖維切削角側銑后的表面糙度如圖7(a)～(d)所示。從中不難發現,銑削表面經過超聲振動沖擊后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。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超聲銑削還是普通銑削,碳/碳復合材料表面粗糙度與纖維切削角的變化密切相關。Sa和Sq隨纖維切削角的變化而發生規律性改變;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現,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律性更為顯著。這是因為隨著主軸轉速的增加,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,減少了動態切削厚度,降低了切削力,保持加工系統的穩定。與Liu等[6]針對超聲振動對碳纖維復合材料的去除機理的研究結果相一致。隨著進給速度和切深的增加,普通銑削中隨著刀具進給,切削力不斷增大,纖維受到刀具持續不斷的作用力,導致纖維的彎曲脫粘和拔出。而在旋轉超聲銑削中,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,纖維在短時間內受到交變應力,更容易斷裂去除,避免了拉扯撕裂帶來的損傷。

在側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動軌跡和刀刃與纖維的接觸,使纖維受到的剪切作用增強,有利于纖維的去除。隨著刀具的進給,部分纖維斷裂從拉拔斷裂轉變為剪切斷裂,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[8]對纖維斷裂機理的研究結果。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。在刀具進給過程中軸向振動也會使纖維內部出現微裂紋,纖維在受力時會沿著微裂紋斷裂,避免了達到彎曲應力才斷裂,再一次減少了纖維的彎曲和脫粘,有利于纖維的去除。

3 結論

本文重點開展了旋轉超聲銑削碳/碳復合材料表面三維粗糙度的試驗研究,得到以下4點結論：

(1)旋轉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,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。旋轉超聲側銑表面粗糙度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,旋轉超聲加工技術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)在主軸轉速為4 000 r·min-1、進給速度為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。