碳纤维增强复合材料的单脉冲放电凹坑特性研究

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2、：!堕￡至垒工坐宦曼碳纤维增强复合材料的单脉冲放电凹坑特性研究米杨晓冬。黄潇南(哈尔滨_r-．,3k大学机电工程学院。哈尔滨150001)【摘要】通过单脉冲放电试验对碳纤维增强复合材料(CFRP)的放电凹坑特性进行了试验研究，发现不同碳纤维排布方向上放电凹坑形状和个数不同，电极与碳纤维垂直时出现多个凹坑的概率高达86％，并分析了多个放电凹坑产生的原因。关键词：电火花k_r-；碳纤维增强复合材料；放电凹坑DOI：10．16080／j．issnl671—833x．2017．03．016杨晓冬教授。博士生导师，主要研究方向为先进特种加工新技术、微细

3、电火花加工技术、电火花加工机理及仿真研究、快速成形制造技术等。发表相关论文90余篇，主编及参编特种加工教材及专著9本。+基金项目：国家自然科学基金资助项目(51575136)；黑龙江省自然科学基金重点资助项目(ZD2015009)。16航空制造技术·2017年第3期碳纤维增强复合材料(CFRP)由于具有高比强度、高比模量、耐摩擦、耐腐蚀等诸多优良特性，近年来在航空航天、汽车等领域被广泛应用。但使用传统的机械加工方法对其进行加工时，常会引起层间分离、碳纤维脱落等问题，很难得到良好的；Ⅱaq-质量与加工精度，并且还会使刀具磨损严重。电火花加工为非接触加工

4、，适用于难切削材料的加工，近年来，利用电火花加工方法进行CFRP加工的研究也开始出现”。2]。CFRP的电火花加工原理是：CFRP材料表层中非导电树脂基部分在一定的电流条件下可被碳化成导电材料，而深层的树脂基部分由于放电时的热影响又继续被碳化为导电材料，从而使得电火花加工可持续进行。电火花加工表面是无数放电凹坑重叠而成的，单个放电凹坑的形貌决定着最终的加工表面质量。由于CFRP的许多性质与纤维排布方向有着极大的关系，具有明显的方向性。因此，通过单脉冲放电，研究单脉冲放电下放电凹坑的形貌，对明确CFRP不同纤维排布方向上电火花加工中材料去除的基本模式，

5、提高CFRP的电火花加工特性具有重要意义。本文通过单脉冲放电试验对碳纤维增强复合材料的放电凹坑特性进行了试验研究，对不同碳纤维排布方向上放电凹坑的形状和个数进行了对比分析，并分析了多个放电凹坑产生的原因。碳纤维排布方向对放电凹坑形状的影响在工具电极与碳纤维垂直(见图1(a))和工具电极与碳纤维平行(见图1(b))方向上分别对CFRP进行单脉冲放电，利用共聚焦显微镜(OSL3000)对放电凹坑进行观察。试验条件如表1所示。1电极与碳纤维垂直时放电凹坑形貌电极与碳纤维垂直时放电凹坑形貌如图2所示。由图2可知。在此方向上被除去的树脂区域呈椭圆形。其原因可能

6、为碳纤维的导热率(约为lOW／(m·K))大于环氧基树脂的导FE盯哪专稿热率(约为0．2W／(m·K))，使热量沿纤维方向(图3方向1)传递较垂直纤维方向(图3方向2)快，热传导呈现出一定的方向性。又因为碳纤维的熔点(33()oK以上)远高于环氧树脂的软化点(约为500K)，所以在沿纤维排布方向上的区域内，树脂被大量除去，留下裸露的碳纤维，并使放电凹坑呈现出椭圆形。2电极与碳纤维平行时放电凹坑形貌电极与碳纤维平行时放电凹坑形貌如图4所示。由图4可知，电极与碳纤维平行时的放电凹坑与电极与碳纤维垂直时的放电凹坑不同，在表l试验条件下，碳纤维与树脂都被除去

7、的区域约为q，971．tm圆形区域，仅树脂被除去的区域为西190．ttm圆形区域。深度约为70}tm。电极与碳纤维平行时的热传导模型如图5所示，由于热量沿水平各个方向传递速ELb)电极与碳纤维、H』图1碳纤维不同排向的CFRP电火花加工Fig．1ElectricaldischargemachiningofCFRPwithdifferentcarbonfiberdirections度几乎相同，所以放电凹坑呈圆形。CFRP单脉冲放电凹坑个数不论是电极与碳纤维垂直时还是电极与碳纤维平行时对CFRP进行单脉冲放电，都有可能得到多个放电凹坑，如图6所示。电极与

8、碳纤维垂直时，在单脉冲放电条件下，产生两个放电凹坑，如图6(a)所示；电极与碳纤维平行时，在单脉冲放电条件下，产生3个放电凹坑，如图6(b)所示。试验条件见表1。1多个放电凹坑产生概率统计分析在试验中发现对CFRP进行单脉冲放电产生多个放电凹坑并非偶然现象。为了探究多个放电凹坑产生的概率，分别在电极与碳纤维垂直时以及电极与碳纤维平行时对CFRP进行50次单脉冲放电，试验后利用共聚焦显微镜OSL3000对放电凹坑进行观察，统计多个放电凹坑出现次数。试验条件如表1所示。试验结表1试验条件项目放电电压放电电流放电时间放电极性工件r具电按工作液裸露的碳纤维受

9、热被除去的树脂图2电极与碳纤维垂直时的放电凹坑Fig．2Dischargecraterwhentheelec