對(duì)磨削加工中單向碳纖維增強(qiáng)塑料的一些認(rèn)識(shí)

對(duì)磨削加工中單向碳纖維增強(qiáng)塑料的一些認(rèn)識(shí)2006年澳大利亞新南威爾士州悉尼市悉尼大學(xué)航空航天，機(jī)械與機(jī)電工程學(xué)院2002年9月27日收到，2004年4月14日修改格式，2004年4月14日接收摘要：本文探討了使用氧化鋁砂輪下單向碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂模具復(fù)合材料的磨削性能。重點(diǎn)是了解以垂直切削比較纖維角度的影響，磨削深度對(duì)磨削力和表面完整性，并了解研磨機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，更大的磨削力在纖維角度為60度和90度之間發(fā)生，但較差的磨削表面光潔度發(fā)生在120度和180度之間。表面的完整性是高度依賴磨纖維的方向和深度，這與正交切削的結(jié)果是非常類似的。?2004ElsevierB.V.保留所有權(quán)利關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)塑料；磨削力；表面的完整性；可磨性一、介紹纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）已被廣泛用于工業(yè)，由于其優(yōu)異的性能，如高比模量，比強(qiáng)度和減震能力。盡管近凈形組件可以產(chǎn)生的，但是他們通常需要后續(xù)加工形成的所需的幾何形狀，裝配公差和表面完整性。磨削尤其需要獲得高的尺寸精度和表面光潔度。不同于對(duì)于傳統(tǒng)的金屬材料加工的調(diào)查，已經(jīng)對(duì)加工先進(jìn)復(fù)合材料進(jìn)行了相對(duì)較少的研究；因此對(duì)于此機(jī)制了解較少。然而，據(jù)報(bào)道強(qiáng)烈的晶向各異性和玻璃鋼的不均勻性推出了許多在加工中的具體問題，如纖維拉拔，脫層，表面損傷，毛刺和燃燒。對(duì)于各種玻璃加工方面的探討已經(jīng)關(guān)注的了如切屑形成［1-7］和切削力［2,5-7］的問題。例如，Tagliaferriet［8，9］研究了鉆削參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量和玻璃鋼的機(jī)械性能的影響，討論了鉆削工具和玻璃鋼材料之間的相互作用機(jī)制，并研究了損傷發(fā)展。井上和川口［10］研究了故障模型上的紗線的方向和玻璃玻璃鋼地面的外觀的影響。帕克等［11］研究了用微型品粒材料的金剛石砂輪在電解過程中修整碳纖維增強(qiáng)塑料的鏡面磨削。近日，王和張為單向玻璃受到切割的機(jī)械損害為特征和發(fā)展一個(gè)新的力學(xué)模型以預(yù)測(cè)切削力。馬蒂赫和張［15,16］提出一種二維切割模型來預(yù)測(cè)有關(guān)纖維角度的切削力并且發(fā)展一個(gè)適合的三維有限元算法。張等人［17］研究了由切削引起的玻璃鋼板材出口缺陷的形成并且基于維度的分析提出有關(guān)的關(guān)于震害預(yù)測(cè)的一個(gè)簡單公式。本文旨在對(duì)單向碳纖維增強(qiáng)塑料部件的表面磨削獲得更好的了解。二、材料和過程在目前的工作中使用的工件材料是用商業(yè)樹脂系統(tǒng)的F593預(yù)浸材料和直徑7-8微米的單項(xiàng)碳纖維制成的碳玻璃鋼層板。預(yù)浸材料在0.6兆帕斯卡和177攝氏度下兩小時(shí)被固化。層壓板的大小為300毫米X50毫米，厚度為4毫米，用于磨削實(shí)驗(yàn)的標(biāo)本從層板上以所需的纖維角度被切割成45X15X4（長X寬X厚度，毫米）。工件材料的力學(xué)性能列于表1。機(jī)械性能數(shù)值拉伸強(qiáng)度（MPa）1331拉伸模量（GPa）120抗壓強(qiáng)度（MPa）1655壓縮模量（GPa）115表1FRP材料在室溫下的機(jī)械性能圖1一些磨削參數(shù)的定義測(cè)試如圖1,在MININIM286CN平面磨床上用BWA36HVAA型氧化鋁輪干燥的向下磨削。磨削力是用一個(gè)安裝在磨床液壓表中的三維壓電測(cè)力計(jì)測(cè)得的。砂輪常規(guī)下被單點(diǎn)金剛石修整器修整。修整深度為每次0.1毫米。修整的進(jìn)給速度為200毫米/分鐘和砂輪的圓周速度為20米/秒。砂輪和表的速度分別被固定在25米/秒和4米/分鐘。纖維方向。被定義為順時(shí)針方向從地面到纖維的方向，如圖1所示。目前研究中，0分別取值為0°、30°、60°、90°、120°和150°，磨削深度d分別取值為20、50、100、150和200微米。

三、結(jié)果和討論3.1切削力對(duì)磨削力的兩個(gè)正交分量進(jìn)行了測(cè)量，即平行磨削方向的水平力和垂直于磨削表面的垂直力。圖2顯示了在不同的切削深度下關(guān)于纖維方向的受力變化。很顯然，0和d促進(jìn)了力的產(chǎn)生。Machiningdepthooo505332fldlrldiIldlttln■n.n.nu-g-g-a-cmEmMachiningdepthooo505332fldlrldiIldlttln■n.n.nu-g-g-a-cmEmmEEmnn0DODD20510Q5o.o.o,o.ooo0500211585020190

60

o

3Fibreonentation(degree)Fibreonentation(degree)4208642JIJI1(N)8^0^BIJ-PU一」cnMachiningdepth—f4208642JIJI1(N)8^0^BIJ-PU一」cnMachiningdepth—f—0.020mnn-giinding—*—0.050mm-grinding-D.IOOmm-grlrKJIng一一a一一D.OfiOmnri-cutting(N)o)0J￡?￡no309050JIosdi(b) Fibreorientation(degree)圖2纖維排列方向?qū)δハ骱颓懈畹挠绊懀?a)水平力(b)垂直力圖2(a)顯示當(dāng)。從0°上升到60°時(shí)橫向磨削力增大，但隨后減小。這取決于玻璃鋼的形變機(jī)理。當(dāng)。=0時(shí)，材料的去除主要由模式II的剪切斷裂和模式I沿纖維/基體接口的開放裂紋引起的，如圖3(a)所示。由于纖維基體的粘接強(qiáng)度比纖維強(qiáng)度低得多，分開的纖維/基體接口所需要的力也較低。隨著。的增加，材料的去除會(huì)影響纖維的剪切裂縫，如圖3(b)和(。)所示。由于該纖維具有較高的剪切強(qiáng)度，

磨削力上升。在切割時(shí)，當(dāng)e=60°時(shí)橫向磨削力達(dá)到圖3玻璃鋼材料的磨削機(jī)理(a)e=0°(b)e=30-60°(c)0=90°最大值，當(dāng)e=90-120度水平力達(dá)到最大值。公認(rèn)的，在加工過程中，剪切力和磨削力主要取決于材料去除機(jī)理(或者材料的斷裂機(jī)理)。磨削中，當(dāng)0=60。時(shí)，材料的去除(或者纖維的斷裂)包含大量的拉出和斷裂纖維，以及剪切纖維裂縫，所有這些機(jī)理有助于獲得最大磨削力。在e=90°的正交切削中，材料被纖維剪切斷裂機(jī)械切除，在用工具在垂直方向(即e=90°)剪切一包很好粘接的纖維時(shí)應(yīng)該比其他方向有更大的阻力，就像一個(gè)裂縫橫跨這包很好粘接的纖維，將會(huì)達(dá)到最大阻力。最大垂直磨削力發(fā)生在e=90°，如圖2(b)所示。這是因?yàn)槔w維具有最高的縱向強(qiáng)度，因此當(dāng)e變化到90°時(shí)砂輪垂直壓迫的阻力變高。合理的觀察發(fā)現(xiàn)，e=90°時(shí)垂直磨畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）文獻(xiàn)翻譯削力曲線是不對(duì)稱的，因?yàn)楫?dāng)0變化時(shí)材料的去除機(jī)理的差異。磨削力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相同的材料［12,14］正交切削相比如圖2。在正交切削中，所使用的工具由碳化鎢制成，間隙角為7°，傾角為-20°，剪切速度被固定在1米每分鐘。很顯然，剪切力以不同的方式變化，他們比切除相同公稱深度下的磨削力高得多。這主要是因?yàn)榍懈钍莾A角恒定的單點(diǎn)加工過程，材料的去除機(jī)理是斷裂和刀具邊緣前部與大批材料的分離，因此產(chǎn)生巨大的剪切力。然而磨削是一個(gè)作用的磨粒有許多小的剪切深度的前角任意（通常磨粒的前角為負(fù)數(shù)）的多點(diǎn)微加工過程。此外，正交切削和磨削的不同之處在于正交切削的速度是很低的（即1米每分鐘），因此與砂輪有高得多的圓周速度（即20米每秒）和相對(duì)低得多的材料去除率相比單位時(shí)間內(nèi)材料的去除率很高。O-.OlOmin^grinding0.020rnm-grinding0.050nnm-gnndingOJOOmm-grindingO.QSOmm-cuttingMachiniinqdepth『Em夥曾blcnncu-elj-ph-buo—I5432O-.OlOmin^grinding0.020rnm-grinding0.050nnm-gnndingOJOOmm-grindingO.QSOmm-cuttingMachiniinqdepth『Em夥曾blcnncu-elj-ph-buo—I543290201oo8JI(UJmsrficilFBro』QEGAgnJJl-(UJmsrficilFBro』QEGAgnJJl-Grindirigdepth8501201906030(a) Fibreonentation(degreel—O.OlOfnm—Q.QSQfinm—0.D50fnm-H-0.l00rnm(to(toFibreorientation(degree)圖4纖維的角度對(duì)粗糙度的影響

（a）沿磨削方向（b）垂直于磨削方向3.2表面粗糙度纖維方向?qū)Φ孛鏄颖镜谋砻娲植诙扔泻艽笥绊?。圖4顯示了表面粗糙度與纖維方向的關(guān)系，縱向和橫向的表面粗糙度分別沿著和垂直著磨削方向。為了比較，通過正交切削、切削深度為50微米、前角為-20°的試驗(yàn)品的表面粗糙度如圖4（a）所示。很顯然，纖維的角度有一個(gè)閾值，當(dāng)。=120°時(shí)，低于這個(gè)值時(shí)。的影響是微不足道的。最好的表面粗糙度在。=90°-120°時(shí)獲得，而最差的表面粗糙度發(fā)生在。=150°。正交切削與其結(jié)果類似，但是閾值是。=90°并且最差的表面粗糙度發(fā)生在0=120°-150°［12-14］。這也許是因?yàn)榍敖堑挠绊懀驗(yàn)楦鶕?jù)文獻(xiàn)［18，19］在磨削中有作用的磨粒的前角的范圍是-15。到-60°。CuttingdirectionCuttingforcedireclicm Chipfracturepoint,O圖5當(dāng)0>90。時(shí)表面形態(tài)的形成當(dāng)90°^0<180°時(shí)獲得更好的表面粗糙度，在圖5中有所定性。在正交切削中，切削工具的前端復(fù)合材料彎曲并且沿纖維/基體界面層間發(fā)生分離（即沿刀尖A到切屑裂縫O點(diǎn)）。只要刀尖上某一點(diǎn)的最大彎曲應(yīng)力（例如。點(diǎn)）達(dá)到復(fù)合材料的抗彎曲強(qiáng)度，纖維斷裂就會(huì)發(fā)生在大部分纖維都垂直的OB的方向。由于點(diǎn)O在切削邊緣之下，一個(gè)粗糙的表面和更深的傷害滲透可能會(huì)出現(xiàn)。這與0^0<90°時(shí)不同，這時(shí)纖維在承受拉力并且因此斷裂發(fā)生在非常靠近切削邊緣的一帶。作者的高速攝像機(jī)觀測(cè)證實(shí)了這一點(diǎn)并在報(bào)告中達(dá)成一致［6,7］。因此，當(dāng)磨削被看做是一個(gè)多點(diǎn)的切削過程時(shí)，有無數(shù)的不同前角的切削邊緣，0>120°時(shí)表面粗糙度變化更大則不是出人意料的。

（C）圖6地表面的不同纖維角度的SEM顯微照片（d=20微米）：（a）0=0° （b）0=90°（c）0=150°此外，在相對(duì)較小的接近碳纖維的直徑的磨削深度下，例如10微米和20微米，纖維角度的影響變得微不足道，最差的表面光潔度發(fā)生在0=0°。這是因?yàn)樵谌绱诵〉哪ハ魃疃认?，一個(gè)磨粒的切削邊緣不能實(shí)現(xiàn)很大的纖維彎曲。纖維不是靠切削斷裂而是靠纖維/基體界面脫粘以創(chuàng)建一個(gè)粗糙的表面來實(shí)現(xiàn)切削的。在0=0°的情況下地表面的典型形態(tài)如圖6（a）所示，可以清楚的看到由纖維形成的原始的圓弧形溝槽。3.3損害如圖6所示，當(dāng)磨削深度相對(duì)較小時(shí)，磨削中產(chǎn)生了中度損害。這是與表面粗糙度的結(jié)果一致。(b)圖7在不同的纖維角度下地表面截面（d=20微米）(a)0=0° (b)0=150°圖8在不同磨削深度下地表面截面（0=90°）（a）d=20微米（b）d=100微米如上文圖4，表面粗糙度在0=150°時(shí)達(dá)到最大值。在圖6和圖7中對(duì)SEM的觀測(cè)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。在地表面上墳有一些嚴(yán)重的損害并且損害程度隨著磨削深度的增加而增加。圖7顯示當(dāng)0=0°和150°時(shí)和d=20微米時(shí)在徠卡光學(xué)顯微鏡下截面的圖像?？梢钥闯?，0=0°時(shí)的表面層含有明顯的沿纖維/基體界面的裂紋，^L一些分層損傷發(fā)生了。這顯然是由于沿著接口的大的剪切力造成的。當(dāng)0=150°時(shí)，鋸齒的形狀出現(xiàn)了，這種加工機(jī)理在圖5中被圖文并茂的展示并且獲得認(rèn)可并且在圖4中展示了很大的表面粗糙度（120°<0<180°）。圖8體現(xiàn)了當(dāng)0=90。時(shí)不同的磨削深度下截面的觀測(cè)。很顯然，當(dāng)磨削深度增加時(shí)，損害影響的地帶擴(kuò)大了。四、結(jié)論切屑的形成，單向纖維玻璃鋼的磨削力和磨削表面完整性高度依賴?yán)w維的角度。90°的纖維角度有助于產(chǎn)生最低表面粗糙度，并且切削深度對(duì)表面粗糙度有較I小的影響。120°到180°之間的纖維角度不是有利的，這樣可以產(chǎn)生鋸齒形表面形III 態(tài)和深層的表面?zhèn)Α? 一 I (3)對(duì)于所有纖維方向的研究，磨削損害區(qū)域深度的隨著磨削深度的增加而增加。IIIIIII致謝IIII! I 本文作者衷心感謝澳大利亞研究評(píng)議會(huì)給予財(cái)政支持。N.S.Hu是由澳大利亞研究III 生基金提供贊助。裝I 參考文獻(xiàn)IIII[1]W.Konig,Ch.Wulf,P.Grass,H.Willerscheid,Machiningoffibre-reinforcedplastics,iIAnn.CIRP34(2)(1985)537-548.II訂[2]A.Koplev,Aa.Lystrup,T.VOrm,Thecuttingprocess,chips,andcuttingforcesin!ImachiningCFRP,Composites14(1983)371-376.II[3]H.Inoue,M.Ido,StudyonthecuttingmechanismofGFRP,in:ProceedingsofIIIInternationalSymposiumonCompositeMaterialsandStructures,June10-13,1986,I線Beijing,China,pp.1110-1115.iI[4]T.Kaneeda,CFRPcuttingmechanism,Trans.N.Am.Manuf.Res.Inst.SME19(1991)II 216-221.III [5]N.Bhatnagar,N.Ramakrishnan,N.K.Naik,R.Komanduri,OnthemachiningofI■ r-i ,r ii i 』t』ta<irmia<rclifibre-reinforcedplastic(FRP)compositelaminates,Int.J.Mach.ToolsManuf.35(1995)iI 701-716.II1 [6]D.H.Wang,M.Ramulu,D.Arola,Orthogonalcuttingmechanismsofgraphite/epoxyiIcomposite,PartI,Unidirectionallaminate,Int.J.Mach.ToolsManuf.35(1995)I1 1623-1638.IIIID.H.Wang,M.Ramulu,D.Arola,Orthogonalcuttingmechanismsofgraphite/epoxycomposite,PartII,Multi-directionallaminate,Int.J.Mach.ToolsManuf.35(1995)1639-1648.V.Tagliaferri,G.Caprino,A.Diterlizzi,EffectofdrillingparametersonthefinishandmechanicalpropertiesofGFRPcomposites,Int.J.Mach.ToolsManuf.30(1990)77-84.G.Caprino,V.Tagliaferri,Damagedevelopmentindrillingglassfibre-reinforcedplastics,Int.J.Mach.ToolsManuf.35(1995)817-829.H.Inoue,I.Kawaguchi,Studyonthegrindingmechanismofglassfibre-reinforcedplastics,J.Eng.Mater.Technol.,Trans.ASME112(1990)341-345.K.Y.Park,D.G.Lee,T.Nakagawa,Mirrorsurfacegrindingcharac-teristicsandmechanismofcarbonfibre-reinforcedplastics,J.Mater.Process.Technol.52(1995)386-398.X.M.Wang,L.C.Zhang,Machiningdamageinunidirectionalfibre-reinforcedplastics,in:AbrasiveTechnology:CurrentDevel-opmentandApplicationsI,WorldScientific,Singapore,1999,pp.429-436.L.C.Zhang,H.Y.Zhang,X.M.Wang,Aforcepredictionmodelforcuttingunidirectionalfibre-reinforcedplastics,Mach.Sci.Technol.5(2001)293-305.X.M.Wang,L.C.Zhang,Anexperimentalinvestigationintotheorthogonalcuttingofunidirec