碳纤维复合材料超声磨削工艺的研究 口张辽远 口姜大林 口尚明伟 口王悦龙 口耿岳 沈阳理＿Ｚ－大学机械．Ｙ－程学院 沈阳 １１０１５９ 摘 要：在总结国内外大量文献资料的基础上，利用自行研制的超声振动系统对碳纤维复合材料进 行了磨削试验，研究不同加工参数对切削力和工件表面质量的影响，并对超声磨削机理进行了分析。结 果表明：随着主轴转速的加快，切削力和表面粗糙度值减小；随着切削深度的增大或进给速度的加快， 切削力和表面粗糙度值增大。与传统磨削加工相比，在加工参数相同的条件下，超声辅助加工时工件所 受的切削力和表面粗糙度值更小。 关键词：碳纤维复合材料中图分类号：ＴＨ１６；ＴＧ７４ 超声加工磨削 研究 文章编号：１０００—４９９８（２０１７）０４—００７２—０３ 文献标志码：Ａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ，ａ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｔｅｓｔ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ＣＦＲＰ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ｏｕｒｓｅｌｖｅｓ ｉｎ ａｎ ａｔｔｅｍｐｔ ｔｏ ｉｆｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｏ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗ０ｒｌ（一 ｐｉｅｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｐｅｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｏｒ ｆｅｅｄ ｒａｔｅ．Ｉｆ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｓａｍｅ．ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋ—ｐｉｅｃｅ ｕｎｄｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ａｒｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｇｒｉｎｄｉｎｇ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＣＦＲＰ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｍａｃｈｉｉｎｇ Ｇｒｉｎｎｄｉｎｇ Ｓｔｕｄｙ 碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）是以碳纤维为增强材料、 同时．工具旋转运动时，金刚石磨粒越靠近底面圆心， 切削线速度越低，在圆心处切削线速度甚至为零。磨粒 切削线速度的不同会使底面受力不均，被加工工件表 面粗糙度值增大［７］。为解决上述问题，试验采用特制的 以树脂为基体的复合材料＿１］。与传统材料相比，ＣＦＲＰ 有质量轻、比强度高、比模量高、抗疲劳性能好及减振 性能优良等诸多优点［２－３］。因此广泛应用于航空航天、 文体用品、医疗器械、生物工程、建筑材料、运输车辆等 领域Ｈ］。但是，由于加工难度大，令ＣＦＲＰ的应用受到 ］。笔者使用自制的电镀金刚石圆柱磨头工具对 ＣＦＲＰ进行磨削试验，分析超声振动下磨削ＣＦＲＰ的去 除机理，研究不同加工参数对ＣＦＲＰ切削力和表面粗 糙度的影响。 电镀金刚石工具，其中空结构能够及时排屑，减少甚至 消除底面堵塞，同时极大地减小了参与切削磨粒的切 削速度差。加工工具金刚石的粒度号为１００／１２０，其尺 寸如图２所示，实物如图３所示。 １．３ ＣＦＲＰ性能参数 试验所用工件为Ｔ８ＯＯＣＦＲＰ，其性能参数如表１ 所示 ＢＴ３０刀柄 １ 超声振动试验平台及材料性能参数 １．１超声振动系统 试验所设计的超声波电源功率为２５０ Ｗ（峰值）、 频率为２０ ｋＨｚ。换能器使用压电换能器。变幅杆为圆 锥形，能够满足超声振幅和强度要求，且易于制造。材 料为４５Ｃｒ。超声振动系统如图１所示。 １．２加Ｔ５１２具 换能器 变幅杆 夹头 加工工具 工件 专用夹具 测力仪 工作台 用电镀金刚石磨头磨削工件时，工具侧面的碎屑 容易排出，而底面的碎屑则会附着在金刚石磨粒缝隙 内，造成堵塞．使工件温度升高，表面粗糙度值增大 ］。 收稿日期：２０１６年９月 电荷放大器转换器 ▲图１超声振动系统示意图 ２０１７／４ 机械制造５５卷第６３２期 ｅ 导 ｉ、、 、 ２．２切削深度对切削力和表面粗糙度的影响 『 、、、、 为研究超声作用下切削深度对切削力和表面粗糙 度的影响，取主轴转速为２ ０００ ｒ／ｍｉｎ，进给速度为１５０ 一 Ｉ Ｉ５ Ｊ ６５ 一 一Ｉ ａｍ／ｒｒａｉｎ，切削深度分别为０．１ ｍｍ、０．２ ｍｍ、０．３ ｍｍ、 ０．４ ｍｍ。由试验得出的切削力随切削深度变化情况如 图７、图８所示，表面粗糙度值随切削深度变化情况如 图９所示。 ▲图２加工工具尺寸 ●一 ｄ＿一 一 一 ． Ｉ ｌ Ｉ ● ｌ ｌ一＿＿日＿ 嘲０ —－ ■一—ｉ 一２．３ 进给速度对切削力和表面粗糙度的影响 为研究超声作用下进给速度对切削力和表面粗糙 ｉ － Ｉ｝… 一 ———— —————一一一——一度的影响，取主轴转速为２ ０００ ｒ／ｍｉｎ，切削深度为０．２ ｍｍ．进给速度分别为５０ ｍｍ／ｍｉｎ、１００ ｍｍ／ｍｉｎ、１５０ ｍｍ／ｍｉｎ、２００ ｍｒｒｄｍｉｎ。由试验得出的切削力随进给速 ▲图３ 口工工具实物图 度变化情况如图１Ｏ、图１１所示，表面粗糙度值随进给 速度变化情况如图１２所示。 ２．４试验结果分析 表１ ＣＦＲＰ性能 Ｉ拉伸强度 拉伸模量 密度 比模量 比强度 Ｉ ／ＭＰａ ｜（ ａ ／（ｇ・Ｃｌ／１ ） ／（ｘｌ０９ｃｍ） ／（ｘｌ０￣ｍ） 由图４～图１２可以看出：无论有无超声作用，Ｙ方 向切削力、Ｚ方向切削力和工件表面粗糙度值均随着 目１．２ １．０ ————～～ ５ｌ ４９０ １．４２９４ １．８０ １．６２ ３．０３ 试验条件 试验所用机床为天津三英数控生产的三轴精密数 ｊ磐０．８ ０．６ ０．４ 、 ——— 女 控铣床，冷却液为磨削液，超声振动频率为２０ ｋＨｚ，振 幅为３ Ｉ－Ｌｍ，加工工具进给运动方向为ｙ轴正方向，且 有超声 １ Ｏ００ ２ ０００ ３ ０００ ４ ０００ 与碳纤维方向一致。 ２试验结果与分析 ２．１ 主轴转速对切削力和表面粗糙度的影响 为研究超声作用下主轴转速对切削力和表面粗糙 度的影响，设置切削深度为０．２ ｍｍ，进给速度为１５０ ４Ｏ 主轴转速／（ｒ・ｒａｉｎ ） ▲图６表面粗糙度值随主轴转速变化情况 丰龆南一 — 一 —＿ 苣 ３０ ２０ ，／－＿一 一ｒ 伺趟户 ｍｒｒｄｍｉｎ，主轴转速分别为ｌ ０００ ｒ／ａｉｒｎ、２ ０００ ｒ／ｍｉｎ、 ３ ０００ ｒ／ｍｉｎ、４ ０００ ｒ／ｍｉｎ。由试验得出的切削力随主轴 转速变化情况如图４、图５所示，表面粗糙度值随主轴 转速变化情况如图６所示。 零 １０ ０ Ｏ．１ ０．２ ０＿３ ０．４ 切 深度／ａｍ ｒ▲图７ ｙ方向切削力随切削深度变化情况 １２０ １ｏｏ ６Ｏ －、 — ５０ 乏４０ ３Ｏ ２０ ｌｏＯ ＼ —— —— 招亩 ８０ ６０ 伺趟户 一 ４ｏ ２Ｏ ０ 伺碰尸口 １ ０ｏ０ ２ ０００ ３ Ｏｏｏ ４ ０００ ０．１ Ｏ．２ ０．３ ０．４ 主轴转速／（ｒ・ｍｉｎ ） ▲图４ Ｙ方向切削力随主轴转速变化情况 １２０ １０ｏ ／ 日 切削深度／ａｍ ｒ▲图８ Ｚ方向切削力随切削深度变化情况 １．４ １．２ 苣 ８Ｏ ６Ｏ ４ｏ §１．０ 兀越尸－．－一．，一 ——一＿一一一 — 逾０．８ 有超声 ０．６ 招甫 ２０ ０ １ Ｏ００ ２ ０００ ３ ０（）０ ４ ０ＨＤＯ 毂 懈０ Ｏ．１ Ｏ，２ ０．３ ０．４ 主轴转速／（ｒ・ｍｉｎ ） ▲图５ Ｚ方向切削力随主轴转速变化情况 切削深度／ｍｍ ▲图９表面粗糙度值随切削深度变化情况 机械制造５５卷第６３２期 ２０１７／４ 皇划Ｉ转述的增人而减小，随切削深艘的增人…增人，随 进给速度的增人而增大；超声作川 ｒ，ｙ方 削力、 疗… 『ｌｊｌＪ力和１ 件表面粗糙度ｆｆ（均叫 减小 ． ３超声辅助磨削去除机理 ＣＦＲＰ｝ｆ｜碳纤维很细．直径多 ５～ｌ０ Ｉｘｍ之川 通麽削时，碳纤维丝被剥离Ｔ什农 ，形成撕裂。 超 ｉｈ＂縻削时，１ 具的振动冲击使碳纤维形成 小的碎肼， Ｉ１ｆ通过Ｉ 具的旋转运动带离］一什 【ｆｌ『，ｆＩ是１：什的撕裂 减少． 削 与表而粗糙度值减小 笔肯选取一组试验参数刈‘彳 尤趟， ＪＪｌ】Ｉ 的ｌ 什表 微镜下进行观察，所选ＪＪｌｌ Ｉ 参数如农２所，Ｊ ，尤 超卢干¨仃超 旨作用下的工件表 分圳 １ ３、 ｌ４ 所爪，放火倍数为ｌ０倍。 表２所选试验参数 主轴转速／（ｒ－ａｒｉｎ ） 切削深度／ｍｍ 进给速度（１ｎｎｌ・ａｒｉｎ ）ｌ ｝ｆ１罔ｌ ３、 ｌ４可以看出：／ｌｌ二巡Ｊｉ 作川时，波』ＪＩＪ上 ｒ什的碳纤维束发 断裂，衷 卡儿糙，许仃 【六Ｊ排硝不 畅 ｉ Ｆ的划痕：超声作用下 ｆ：表 光滑．１ 什ｔｆｔ碳 纤维求朱形成大的撕裂，表面质｝｝｛＝ 、 ４ 总结 将超声振动应用于磨削加ｌ ｒｆ１＇ ｜ｊ传统脐削ＪＪ【ｌ １ ｌ圆２０１７／４ 方式进行了对比 试验。分析丁 ■ 互 鬟蕊 冒圈 加１ 参数刈‘ 削力和表面糊【糙 度的影响， 办ｊ 超声辅助磨削厶 除机殚进行了｝ 论 ｉ导出盘【】下结 沦：（Ｄ无论有尢 ■■■ｒ １斟■啦雨翻ｌ譬－－量－－■啷懿Ｅ Ｉ Ｉ／ 超，苦作』ｔｊ，切ｉ【『ｌｊ 力和表面粗糙 值均随主轴转述 的增大 减Ｉ１，； ②尤沦行尢赳 作川，切削力ｆ１Ｉ 表面粗糙度ｆｉｔ均 鍪氪龇＿一 埘 嚼墨譬翟 超 — 掰■幽誓 随 削深度的增 火而增人；③兀沦仃九Ｊｌ芏ｉｊ ｉｉ作川ｔ， 削力平１Ｊ 粗糙度 值均随着进给述度的增人Ｉｆｉ 增人；④ 传统磨削加工 相比．任加 ［参数十｝Ｉｌ ｌ的条什下，超， 辅助＿』Ｊｕ＿ｒ时１ 件 所受切削力更小，农【ｆＩｆ＇卡Ｉｌ糙 ｆｆ．１＝虹小 参考文献 ｆｌ１ 陈烈民．航人 构 机构【Ｍ１．ＪＥ ： ＩｌＩ 科学技术出版 社．２００５． Ｉ ２］ 朱俊． 刚 材料新坎术及 汽１一Ｌ的麻川［Ｊ ．汽年１： 程师．２００９（３）：４９—５２． 『３］ 同坤，ｊ二永…．孙Ｋ余．ＰＣＤ钻头铺削做纤维增 合材料 的切削力石Ｊｆ究ｆ Ｊ ．饥械 驯造，２０ｌ４．５２（９）：５３—５５． 『４］ 戎光道．我 碳纤维产业发腱班状技建议［Ｊ ．合成纤维 、 ．２０１３．３６（２）：４ｌ一４５． 『５］ 鲍水杰，高航．拿 ．Ｉ乜镀金 《 占头钻削碳纤维 合材 料研究ｆＪ１．金刚ｆ 料麽具ｒ ，２００９（３）：３８—４２． 『６］ 陈雄兵。碳纤维 介材料旋转趟』 铣膊ＪＪｌ Ｊ技术研究［Ｄ］． 大连：大连 Ｉ 人 、 ，２００９． ｜Ｉ７］ 冬菊，赵 令，徐１ ０ ，等．超声波铣｝Ｉ『ＩＪ加Ｉ 十寸料去除率 的理论模型『Ｊ＿． １ｌ 机械ｒ ，２００６，Ｉ７（１３）：ｌ３９９—１４０３． 『８］ 赵学莹．囤Ｊ ‘碳纤维 ｝Ｉ织结卡勾及 复合材料 面 ＾构 ｊ性 能表征『Ｄ ｌｌｌｌ＾尔演：ｌｌ＾尔滨ｌ：、 人 ，２０１０． 『９ １ 任卞江．碳纤维 介材料的趟一ｉ辅助瞎削ＪＪｕ Ｉ：技术研 究ｆＤ］．大连：人造 Ｉ 人 ，２（）ＩＯ． 『Ｊ０］张加波，石艾火，ｋｌＪ汉良，等．做纤维 合材料超声振动ＪＪ【 】ｌ ｌＩ Ｊ ｊ．字航利料１ ．２（）１４（１）：ｌ２２一ｌ２６． 作者简介： 张 远（１９６２一），胃，教授．主墨研究方向为超精密和特种 加工。 （编辑 丁 罡） 机械制造５５卷第６３２期
