对磨削加工中单向碳纤维增强塑料的一些认识

对磨削加工中单向碳纤维增强塑料的一些认识2006年澳大利亚新南威尔士州悉尼市悉尼大学航空航天，机械与机电工程学院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：本文探讨了使用氧化铝砂轮下单向碳纤维增强环氧树脂模具复合材料的磨削性能。重点是了解以垂直切削比较纤维角度的影响，磨削深度对磨削力和表面完整性，并了解研磨机理。结果发现，更大的磨削力在纤维角度为60度和90度之间发生，但较差的磨削表面光洁度发生在120度和180度之间。表面的完整性是高度依赖磨纤维的方向和深度，这与正交切削的结果是非常类似的。©2004ElsevierB.V.保留所有权利关键词：纤维增强塑料；磨削力；表面的完整性；可磨性一、介绍纤维增强塑料（玻璃钢）已被广泛用于工业，由于其优异的性能，如高比模量，比强度和减震能力。尽管近净形组件可以产生的，但是他们通常需要后续加工形成的所需的几何形状，装配公差和表面完整性。磨削尤其需要获得高的尺寸精度和表面光洁度。不同于对于传统的金属材料加工的调查，已经对加工先进复合材料进行了相对较少的研究；因此对于此机制了解较少。然而，据报道强烈的晶向各异性和玻璃钢的不均匀性推出了许多在加工中的具体问题，如纤维拉拔，脱层，表面损伤，毛刺和燃烧。对于各种玻璃加工方面的探讨已经关注的了如切屑形成［1-7］和切削力［2,5-7］的问题。例如，Tagliaferriet［8,9］研究了钻削参数对切割质量和玻璃钢的机械性能的影响，讨论了钻削工具和玻璃钢材料之间的相互作用机制，并研究了损伤发展。井上和川口［10］研究了故障模型上的纱线的方向和玻璃玻璃钢地面的外观的影响。帕克等［11］研究了用微型晶粒材料的金刚石砂轮在电解过程中修整碳纤维增强塑料的镜面磨削。近日，王和张为单向玻璃受到切割的机械损害为特征和发展一个新的力学模型以预测切削力。马蒂赫和张［15,16］提出一种二维切割模型来预测有关纤维角度的切削力并且发展一个适合的三维有限元算法。张等人［17］研究了由切削引起的玻璃钢板材出口缺陷的形成并且基于维度的分析提出有关的关于震害预测的一个简单公式。本文旨在对单向碳纤维增强塑料部件的表面磨削获得更好的了解。二、材料和过程在目前的工作中使用的工件材料是用商业树脂系统的F593预浸材料和直径7-8微米的单项碳纤维制成的碳玻璃钢层板。预浸材料在0.6兆帕斯卡和177摄氏度下两小时被固化。层压板的大小为300毫米X50毫米，厚度为4毫米，用于磨削实验的标本从层板上以所需的纤维角度被切割成45X15X4（长X宽X厚度，毫米）。工件材料的力学性能列于表1。机械性能数值拉伸强度（MPa）1331拉伸模量（GPa）120抗压强度（MPa）1655压缩模量（GPa）115表1FRP材料在室温下的机械性能测试如图1,在MININIM286CN平面磨床上用BWA36HVAA型氧化铝轮干燥的向下磨削。磨削力是用一个安装在磨床液压表中的三维压电测力计测得的。砂轮常规下被单点金刚石修整器修整。修整深度为每次0.1毫米。修整的进给速度为200毫米/分钟和砂轮的圆周速度为20米/秒。砂轮和表的速度分别被固定在25米/秒和4米/分钟。纤维方向8被定义为顺时针方向从地面到纤维的方向，如图1所示。目前研究中，8分别取值为0°、30°、60°、90°、120°和150°，磨削深度d分别取值为20、50、100、150和200微米。

三、结果和讨论3・1切削力对磨削力的两个正交分量进行了测量，即平行磨削方向的水平力和垂直于磨削表面的垂直力。图2显示了在不同的切削深度下关于纤维方向的受力变化。很显然，8和d促进了力的产生。Fibreonentation(degree)(hl)dEQJ6.=PUU5-(w期定£一弓-u一型o是口工ooooooo05050500433225ofldirldiIldlttlngrign训cuTTTFibreonentation(degree)(hl)dEQJ6.=PUU5-(w期定£一弓-u一型o是口工ooooooo05050500433225ofldirldiIldlttlngrign训cuTTT-rrlEmrrlmEmm0DODD205WQ5o.ooo.60902015014Machiningdepth208642(N)Bu-PJ-rB-EEUWA—*—0.020mnn-giinding—*—0.050mm-grinding・D.IOOmm-grlrKJIng-■a..D.CJSOmnri-cutting350(壬axloJ-B.2七也>090 120 150 100(b) Fibreorientation(degree)图2纤维排列方向对磨削和切割的影响：(a)水平力(b)垂直力图2(a)显示当8从0°上升到60°时横向磨削力增大，但随后减小。这取决于玻璃钢的形变机理。当8=0时，材料的去除主要由模式II的剪切断裂和模式I沿纤维/基体接口的开放裂纹引起的，如图3(a)所示。由于纤维基体的粘接强度比纤维强度低得多，分开的纤维/基体接口所需要的力也较低。随着8的增加，材料的去除会影响纤维的剪切裂缝，如图3(b)和(c)所示。由于该纤维具有较高的剪切强度,

磨削力上升。在切割时，当e=60°时横向磨削力达到图3玻璃钢材料的磨削机理(a)e=0° (b)e=30-60° (c)e=90°最大值，当e=90-120度水平力达到最大值。公认的，在加工过程中，剪切力和磨削力主要取决于材料去除机理(或者材料的断裂机理)。磨削中，当e=60。时，材料的去除(或者纤维的断裂)包含大量的拉出和断裂纤维，以及剪切纤维裂缝，所有这些机理有助于获得最大磨削力。在e=90°的正交切削中，材料被纤维剪切断裂机械切除，在用工具在垂直方向(即e=90°)剪切一包很好粘接的纤维时应该比其他方向有更大的阻力，就像一个裂缝横跨这包很好粘接的纤维，将会达到最大阻力。最大垂直磨削力发生在e=90°，如图2(b)所示。这是因为纤维具有最高的纵向强度，因此当e变化到90°时砂轮垂直压迫的阻力变高。合理的观察发现，e=90°时垂直磨

削力曲线是不对称的，因为当0变化时材料的去除机理的差异。磨削力的实验结果与相同的材料［12,14］正交切削相比如图2。在正交切削中，所使用的工具由碳化钨制成，间隙角为7°,倾角为-20°，剪切速度被固定在1米每分钟。很显然，剪切力以不同的方式变化，他们比切除相同公称深度下的磨削力高得多。这主要是因为切割是倾角恒定的单点加工过程，材料的去除机理是断裂和刀具边缘前部与大批材料的分离，因此产生巨大的剪切力。然而磨削是一个作用的磨粒有许多小的剪切深度的前角任意（通常磨粒的前角为负数）的多点微加工过程。此外,正交切削和磨削的不同之处在于正交切削的速度是很低的（即1米每分钟），因此与砂轮有高得多的圆周速度（即20米每秒）和相对低得多的材料去除率相比单位时间内材料的去除率很高。O-.OlOmin^grinding0.020rnm-grindingO.OSOirim-gnndingOJOOmm-grindingO.QSOmm-cuttingMachininqdepth543210(EaO-.OlOmin^grinding0.020rnm-grindingO.OSOirim-gnndingOJOOmm-grindingO.QSOmm-cuttingMachininqdepth543210(EassoULIEincu-eu-PH-BUO-l80JIoo120JI906030orfirficilFBro」rfirficilFBro」Qs-laASUnJuGrindirigdepth8501201906030(a) Fibreonentation(degreel—O.OlOfnm—Q.QSQfinm—O.DSOfnm-H-0.l00rnm（b） Fibreorientation（degree）图4纤维的角度对粗糙度的影响（a）沿磨削方向（b）垂直于磨削方向3.2表面粗糙度纤维方向对地面样本的表面粗糙度有很大影响。图4显示了表面粗糙度与纤维方向的关系，纵向和横向的表面粗糙度分别沿着和垂直着磨削方向。为了比较，通过正交切削、切削深度为50微米、前角为-20°的试验品的表面粗糙度如图4（a）所示。很显然，纤维的角度有一个阈值，当8=120°时，低于这个值时8的影响是微不足道的。最好的表面粗糙度在e=90°-120°时获得，而最差的表面粗糙度发生在8=150°。正交切削与其结果类似，但是阈值是8=90°并且最差的表面粗糙度发生在8=120°-150°［12-14］。这也许是因为前角的影响，因为根据文献［18,19］在磨削中有作用的磨粒的前角的范围是-15。到-60°。CuttingdirectionCultingforcedii'eulion Chipfracturepoint,O图5当8>90。时表面形态的形成当90°W8<180°时获得更好的表面粗糙度，在图5中有所定性。在正交切削中，切削工具的前端复合材料弯曲并且沿纤维/基体界面层间发生分离（即沿刀尖A到切屑裂缝0点）。只要刀尖上某一点的最大弯曲应力（例如0点）达到复合材料的抗弯曲强度，纤维断裂就会发生在大部分纤维都垂直的0B的方向。由于点0在切削边缘之下，一个粗糙的表面和更深的伤害渗透可能会出现。这与0W8<90°时不同，这时纤维在承受拉力并且因此断裂发生在非常靠近切削边缘的一带。作者的高速摄像机观测证实了这一点并在报告中达成一致［6,7］。因此，当磨削被看做是一个多点的切削过程时，有无数的不同前角的切削边缘，8>120°时表面粗糙度变化更大则不是出人意料的。

（C）图6地表面的不同纤维角度的SEM显微照片（d=20微米）:(a)0=0° (b)0=90° (c)0=150°此外，在相对较小的接近碳纤维的直径的磨削深度下，例如10微米和20微米,纤维角度的影响变得微不足道，最差的表面光洁度发生在0=0。。这是因为在如此小的磨削深度下，一个磨粒的切削边缘不能实现很大的纤维弯曲。纤维不是靠切削断裂而是靠纤维/基体界面脱粘以创建一个粗糙的表面来实现切削的。在0=0°的情况下地表面的典型形态如图6（a）所示，可以清楚的看到由纤维形成的原始的圆弧形沟槽。3・3损害如图6所示，当磨削深度相对较小时，磨削中产生了中度损害。这是与表面粗糙度的结果一致。10|im度的结果一致。10|im(a) (b)图7在不同的纤维角度下地表面截面(d=20图7在不同的纤维角度下地表面截面(d=20微米)(a)0=0° (b)0=150°(a) (b)图8在不同磨削深度下地表面截面(0=90°)(a)d=20微米(b)d=100微米如上文图4,表面粗糙度在0=150°时达到最大值。在图6和图7中对SEM的观测结果也证实了这一点。在地表面上坟有一些严重的损害并且损害程度随着磨削深度的增加而增加。图7显示当0=0°和150°时和d=20微米时在徕卡光学显微镜下截面的图像。可以看出，0=0°时的表面层含有明显的沿纤维/基体界面的裂纹卩，一些分层损伤发生了。这显然是由于沿着接口的大的剪切力造成的。当0=150°时，锯齿的形状出现了，这种加工机理在图5中被图文并茂的展示并且获得认可并且在图4中展示了很大的表面粗糙度(120°<0<180°)。图8体现了当0=90。时不同的磨削深度下截面的观测。很显然，当磨削深度增加时，损害影响的地带扩大了。四、结论切屑的形成，单向纤维玻璃钢的磨削力和磨削表面完整性高度依赖纤维的角度。90°的纤维角度有助于产生最低表面粗糙度，并且切削深度对表面粗糙度有较i 小的影响。120°到180°之间的纤维角度不是有利的，这样可以产生锯齿形表面形IIIi 态和深层的表面伤害。II (3)对于所有纤维方向的研究，磨削损害区域深度的随着磨削深度的增加而增加。IIIIIIII致谢IIIIII 本文作者衷心感谢澳大利亚研究评议会给予财政支持。N.S.Hu是由澳大利亚研究II1 生基金提供赞助。装I 参考文献IIII [1]W.Konig,Ch.Wulf,P.Grass,H.Willerscheid,Machiningoffibre-reinforcedplastics,II Ann.CIRP34(2)(1985)537—548.II订 [2]A.Koplev,Aa.Lystrup,T.Vorm,Thecuttingprocess,chips,andcuttingforcesinII machiningCFRP,Composites14(1983)371-376.II [3]H.Inoue,M.Ido,StudyonthecuttingmechanismofGFRP,in:ProceedingsofIIII InternationalSymposiumonCompositeMaterialsandStructures,June10-13,1986,!线 Beijing,China,pp.1110-1115.III [4]T.Kaneeda,CFRPcuttingmechanism,Trans.N.Am.Manuf.Res.Inst.SME19(1991)II 216-221.IIII [5]N.Bhatnagar,N.Ramakrishnan,N.K.Naik,R.Komanduri,OnthemachiningofII I fibre-reinforcedplastic(FRP)compositelaminates,Int.J.Mach.ToolsManuf.35(1995)!I 701-716.IIII [6]D.H.Wang,M.Ramulu,D.Arola,Orthogonalcuttingmechanismsofgraphite/epoxyIII composite,PartI,Unidirectionallaminate,Int.J.Mach.ToolsManuf.35(1995)II 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.YPark,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.YZhang,X.M.Wang,Aforcepredictionmodelforcuttingunidirectionalfibre-reinforcedplastics,Mach.Sci.Technol.5(2001)293-305.X.M.Wang,L.C.Zhang,Anexperimentalinvestigationintotheorthogonalcuttingofunidirectio