旋转超声振动端面磨削CFRP表面质量研究

《旋转超声振动端面磨削CFRP表面质量研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、舢。。m。。。。M吲。。yofc唧osite。复合材料先进加工技术旋转超声振动端面磨削CFRP表面质量研究水刘树良1，陈涛1，魏宇祥1，吴超群1’2(1．武汉理工大学机电工程学院，武汉430070；2．华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉430074)[摘要】以多向层铺树脂基碳纤维增强复合材料为研究对象，采用超声振动磨削和普通磨削对其表面加工质量进行了端面磨削试验研究。通过正交试验和单因素试验分析了各工艺参数对工件表面质量的影响规律，并由表面粗糙度及微观形貌进一步分析了磨削机理。试验结果表明：在超声磨削过程中提高主轴转速、减小进给速度，同时采用合适的切

2、削深度和工具粒度，有助于获得高质量的加工表面；超声振动磨削和普通磨削后，工件表面均存在纤维丝断裂、剥离和凹坑等缺陷，超声振动磨削后的加工缺陷出现的程度和概率均较低，表面加工质量较好。关键词：碳纤维增强复合材料；旋转超声振动端面磨削；加工表面质量DOI：10．160808．issnl671-833x．2016．15．057刘树良博士研究生。研究方向为数字制造科学。碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种基于碳／石墨纤维的纤维增强聚合物，它有着极高的强度和较轻+基金项目：湖北省科技计划项目(2015BAA022)；数字制造装备与技术国家重点实验室开放课题(DMETKF201

3、5014)。的重量。碳纤维复合材料耐热性能好，具有高强度一质量比、高模量一质量比(E／p)、高阻尼能力、较好的尺寸稳定性、出色的损伤容限以及良好的耐腐蚀和抗疲劳性能，因此广泛应用于航空航天、机器人、建造业、化工机械、医疗和军工领域Ill。CFRP一般以树脂为基体、碳纤维为增强体，属于典型的难加工材料。与金属材料不同，CFRP在不同层铺方向上呈现各相异性、不均匀性的特点，而且碳纤维增强体强度较高，为硬脆材料，使得在磨削加工过程中工件表面质量难以保证，易出现纤维断裂、剥离及凹坑等缺陷，磨削工具易堵塞磨损，耐用度较低12-31。相比于传统磨削加工，超声振动磨削可以降低磨削

4、力和磨削热，减少工件表面、亚表面损伤以及延长磨具寿命，显著提高加工效率，获得较理想的加工质量。国内外学者对此进行了许多研究，李志凯141通过对CFRP单层板进行切削仿真和加工试验，研究了不同纤维方向角度对基体破坏、基体损伤和工件亚表面破坏情况的影响，结果表明：00时材料的切削性能最好，随着纤维方向角度的增大，加工缺陷、基体损伤和破损情况逐渐加剧。大连理工大学的任宇江151对碳纤维复合材料平面磨削进行了研究，在对型号TB300的多向层铺碳纤维板进行旋转超声磨削加工研究中，通过多因素正交试验，分别研究了主轴转速、工具粒度、进给速度和切削深度对碳纤维板表面加工质量的影响。

5、Liu等161自行设计了超声振动磨削装置，通过“以磨代钻”的方式对CFRP板钻孔，试验表明：孑L进出口处纤维毛刺和拔出现象明显减少，孔内表面加工质量较好，工具堵塞情况明显好转，取得了较好的加工效果。Wang等‘71对单向碳纤维复合材料进行了试验研究，分析了不同碳纤维取向对表面粗糙度和亚2016年第15期·航空制造技术57钐论坛FORUM表面损伤的影响，研究发现当纤维取向为90。时表面质量较好，小于900时材料变形区会出现碎屑、挤压和材料回弹等问题，超过900时纤维发生弯曲，切削机理变得复杂并出现亚表面损伤。国外，Soo等【8’研究了单向碳纤维复合材料的磨削加工，分析

6、了包括纤维方向在内的各个因素对表面质量和切削力的影响，研究结果表明，碳纤维方向对工件表面质量产生较大影响。本文将超声振动与传统磨削加工相结合，通过正交试验和单因素试验研究旋转超声振动端面磨削CFRP的表面质量。试验条件与方法1试验条件搭建旋转超声振动磨削试验台：在哈斯自动化公司(HAAS)DT—l立式钻铣床上，分别安装旋转超声振动系统和测力系统；机床可实现三轴联动，运动精度和工艺系统精度较高，抗振性较强；采用BT30主轴，主轴转速为0。12000r／min，连续可调机床定位精度为5Ixm；旋转超声振动系统的共振频率为17．40kHz，振幅0．12斗m连续可调；磨削工

7、具采用圆柱型电镀金刚石磨头，粒度60。200#，柄径为4mm，磨头直径为6mm，调整合适的伸出长度，使振动效果最明显。试验材料选用T300多向层铺碳纤维板，层铺方式为00／90。交替铺层，单层厚度约为125Ixm。为方便试验加工，将碳纤维板切成20ram×5mmX5mm的长方体，并通过石蜡固定到测力仪上；将工件切割成合适的尺寸，在平行于层铺方向的平面进行磨削试验。将超声振动装置安装到机床上，并对超声振动系统和机床运行情况进行调试。工件材料属性参数如表1所示，碳纤维复合材料结构如图1所示。图2(其中4为超声振幅，厂为频率，v。为工件进给速度)和图3分别为旋转超声振