复合材料的激光辅助切削加工研究
科技
科技
2024-09-27 17:03
四川
![]()
⬆点击上方蓝色字体，关注《工具技术》官方微信~![]()
王维泽，郝秀清，周金堂，魏成峰. 复合材料的激光辅助切削加工研究[J]. 工具技术, 2024, 58(7):46-53.Wang Weize，Hao Xiuqing，Zhou Jintang，Wei Chengfeng. Research on laser-assisted micro-milling of composite materials[J]. Tool Engineering, 2024, 58(7):46-53.纤维增强复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀、抗高低温性能良好、可设计性强等特点，在航空航天、汽车制造以及军事装备等方面都有着广泛应用。玻璃纤维增强复合材料(GFRP)因其独特的性能优势，在基础设施、交通运输、风力发电、航空航天、体育用品等领域得到了广泛应用，据统计，全球玻璃纤维市场中，在建筑（包括商业建筑、住宅等）方面的应用约占32%，工业（包括工厂、采矿、海上平台等）上的应用约占21%，用于风能的约占8%，用于消费级产品（包括家用电器、电子产品和娱乐产品）约占11%，轿车、卡车、公共汽车、火车、航海等运输上的应用约占28%。碳纤维增强复合材料(CFRP)则在应用领域产品部件制备中成为替代铝、钢等金属与合金的首选材料。在航空领域，CFRP被用于制造发动机壳体、机门、飞行器机翼等部件；在汽车领域，CFRP可用于制造汽车壳体、传动轴、轮毂和阻流板等部件，是实现汽车轻量化的理想材料。GFRP与CFRP材料的市场规模都随着应用行业与细分领域科技的发展而不断扩大。然而纤维增强复合材料难加工的属性一定程度上制约了其发展。在利用传统机械加工技术处理纤维增强复合材料的研究中，王凯等研究了聚晶金刚石（PCD）刀具在加工碳纤维增强陶瓷基复合材料Cf/SiC时刀具的磨损情况，发现PCD刀具主要磨损机理为局部氧化磨损和磨粒磨损，刀具的后刀面出现较宽的均匀磨损带，而在前刀面的刀尖及其附近切削刃处出现了较为严重的崩刃现象。即使传统机械加工技术可以获得较高的加工精度，但由于纤维增强复合材料硬度高、脆性大、各向异性、不均匀性和加工冷却条件苛刻等特点，材料在加工过程中极易产生毛刺、撕裂、分层缺陷以及刀具磨损严重等问题，因此传统机械加工技术在复合材料加工中的应用存在一定的局限性。激光加工为非接触加工，加工过程中不会产生刀具磨损，能加工高硬度、高脆性、高熔点的材料。Tagliaferri V.等利用连续激光对纤维增强复合材料进行切割实验，获得了较好的加工质量。Dell′Erba M.等利用激光加工芳纶纤维复合材料、碳纤维复合材料以及玻璃纤维复合材料，研究发现，激光加工的加工质量远超过传统加工技术。Hejjaji A.等对CFRP、GFRP进行传统钻削和连续光纤激光制孔的对比实验，研究发现，在薄板钻孔时，激光加工能够减少加工和工件装夹的时间。Solati A.等利用CO2激光器切割GFRP，与常规钻孔相比，GFRP层压板在激光加工后的拉伸强度更高。Al-Sulaiman F.等进行了Kevlar复合材料激光切割和传统切割的对比实验，发现Kevlar复合材料激光制孔所需能量更低，加工质量更好。以上研究充分体现了激光加工纤维增强复合材料的优越性，但激光加工复合材料也存在热影响区(HAZ)、材料分层、纤维拔出和膨胀等问题。Salama A.等和Wolynski A.等通过建立模型分析了短脉冲激光切割碳纤维复合材料的热积累效应，并使用波长为515nm的皮秒激光器进行试验。结果发现，当不同脉冲频率引起的“热积累”所产生的温度超过纤维或塑料的损伤温度时，会引起热损伤以及加工过程中的损伤。随着航空航天技术的日益提升，对新型难加工材料构件高效精密加工的需求变得尤为迫切，而复合加工技术的出现为解决新型难加工材料构件的制造难题带来了新的突破机遇。激光复合加工是在激光加工的基础上复合一种或几种加工工艺而形成的新工艺。激光辅助切削加工技术是针对难加工材料的一种有效解决方法，利用激光高能量密度诱导材料氧化/相变成为疏松多孔的易加工层或直接去除材料实现粗加工，从而改变材料局部性能，达到降低切削力，减少表面裂纹产生，提高刀具寿命、生产效率及加工表面质量的目的。现阶段在激光辅助切削加工技术的研究上，Kumar M.等通过改变平均激光功率、扫描速率以及光斑大小来尽可能降低难加工金属材料的硬度，随后用切削工具进行加工，与传统机械加工工艺相比，激光辅助加工的切削力最大减少55%，并获得了更好的加工表面质量。田纪文等在3D针刺编制结构Cf/SiC陶瓷基复合材料上进行了激光功率密度、工件转速、切削深度、进给速度等加工参数对切削力影响规律的实验，发现激光辅助高速微车削技术可以明显降低Cf/SiC陶瓷基复合材料切削加工时x，y，z三个方向的切削力，使其变得易于切削，切削力下降最大幅度为81.436%。目前，激光辅助切削加工的研究主要集中在金属与陶瓷基复合材料方面，针对纤维增强复合材料的研究较少。本文利用激光辅助微细铣削工艺，分别使用以环氧树脂与双马树脂为基体、玻璃纤维与碳纤维为增强材料的四种热固性复合材料进行试验，观察在激光作用下GFRP与CFRP的热影响区形貌，探究激光加工不同区域的基体特征，测量不同激光参数下热影响区的宽度与深度，对比复合加工技术与传统铣削在加工GFRP和CFRP中的加工过程、表面质量与刀具磨损，探究激光辅助微细铣削对GFRP与CFRP的加工可行性。使用玻璃纤维增强环氧树脂、玻璃纤维增强双马树脂、碳纤维增强环氧树脂、碳纤维增强双马树脂四种材料进行研究，采用0°/90°铺层的层压板进行试验，厚3mm。试验所用激光器为YDFLP-CL-100-1-A型脉冲光纤激光器，脉冲宽度为100ns，可实现128μm光斑聚焦加工，最大功率达100W。微细铣削试验装置采用三轴龙门高精密微细铣削机床，主轴转速可达20000r/min，主轴回转精度小于1μm，该机床配备工业显微镜系统，用于辅助精确对刀以及对加工过程进行实时监控。试验刀具为直径1mm的NS螺旋双刃平底微铣刀。2.2.1 探究不同激光参数对材料热影响区域的影响考虑到激光辅助精细加工过程中的激光参数设定问题，为选择合适的加工参数，本文对四种材料以及激光功率与激光扫描速率两个激光参数间的组合进行12组试验。沿激光扫描的垂直方向锯开材料，使用较细砂纸打磨掉锯子与截面的接触面，尽可能避免锯开材料的过程对截面形貌产生影响。对未加工区域、热影响区、气化区域基体进行红外光谱扫描，探究激光加工对不同区域基体的影响，然后探究激光参数与热影响区宽度、深度的关系，为后续精细铣削加工提供数据支撑。试验参数如表1所示。2.2.2 探究激光辅助精细铣削加工技术的加工原理及可行性如图1所示，在气化区宽度小于铣刀直径、热影响区宽度大于铣刀直径的条件下进行试验，探究与传统微细铣削加工的差异，同时选择表2的参数进行试验，采用直径1mm的铣刀进行铣削，沿纤维方向进行加工。为完全去除激光加工所产生的气化区域，选择气化区宽度小于1mm的激光参数，分析微细铣削与激光辅助微细铣削对GFRP与CFRP的加工机理，观察其加工质量。同时考虑到CFRP中的碳纤维因硬度更高、层间剪切强度更低以及导热性更差，导致铣削过程中刀具的磨损更快，因此对比CFRP在两种加工方式下的刀具磨损情况，分析激光辅助微细铣削加工技术的可行性。试验设定的铣削参数如表3所示。3.1.1 激光加工复合材料热影响区表面与截面微观形貌特征CFRP在激光作用时会产生明显火焰，对加工部位周围的表面材料造成一定程度的烧蚀，而GFRP则不存在该现象，因此激光加工后的四种材料表面状态如图2所示，CFRP材料在激光功率过高或扫描速率过低时，加工部位旁存在较大面积烧蚀痕迹，图中加工参数从上至下与表1的激光参数顺序对应。GFRP材料的截面形貌如图3a所示，随着深度增加，热影响区中气化区域宽度逐渐减少，呈现出明显的倒三角形状。同时纤维拔出现象明显，该现象是由于基体与纤维的气化温度不同，在激光加工过程中基体先于纤维气化导致，这与汪长松对玻璃纤维增强复合材料层压板进行激光切割研究时观察到的现象一致。碳纤维增强双马树脂在100W，15mm/s的加工条件下截面如图3b所示，CFRP的气化区与热影响区均呈现倒三角形状，但纤维拔出现象并不明显，在热影响区域内存在材料分层现象。激光加工后材料不同区域的红外光谱特征差异表明基体受到了不同程度的热影响。图4呈现了玻璃纤维增强环氧树脂在未加工区、热影响区与气化区三个部位的红外光谱，在2926cm-1，1615cm-1，1516cm-1，1384cm-1，1188cm-1和1044cm-1附近出现明显的峰值，这些峰值涉及到环氧结构中芳香环的不同分子运动。如图4所示，2926cm-1处为环氧乙烷亚甲基的C—H非对称拉伸吸收峰，1615cm-1与1516cm-1之间为芳香族C==C拉伸模式下的吸收峰，1384cm-1的吸收峰为环氧树脂中偕二甲基结构的特征，1188cm-1是平面内芳香族CH变形的吸收峰，1044cm-1是芳香族拉伸Ar—O—C的吸收峰。相较于未加工区域，环氧树脂的特征吸收峰峰值在热影响区与气化区呈现出随着与激光加工部位距离减小而逐渐降低的特征。双马树脂的特征红外光谱也呈现出同样的现象。图4 激光加工玻纤环氧与玻纤双马材料不同区域的红外光谱对比表4为四种复合材料在不同激光功率与扫描速率下表面气化区宽度的数据。对于GFRP材料，气化区宽度随激光功率的增加与扫描速率的降低呈现均匀增大的趋势。CFRP气化区宽度则维持在一定数值范围，这可能与碳纤维热导率低、在极短时间内施加于材料表面的能量所产生的温度无法有效传导有关。激光加工的表面热影响区宽度如表5所示，在固定一个变量的条件下，激光功率的增加与扫描速率的降低对烧蚀表面宽度的影响呈现出均匀上升的趋势。考虑到激光加工CFRP产生的表面烧蚀现象，结合以上数据可为后续精细铣削刀具直径的选择提供数据支撑。
四种材料在不同激光参数下热影响区的深度如表6所示，在相同激光功率的条件下，扫描速率的降低对热影响区深度的影响显著增加，而激光功率的增加在扫描速率保持不变的情况下对热影响区深度增加的影响相对较小，因此在实际应中可以通过改变激光扫描速率实现热影响区深度的大范围调整，通过更改激光功率实现精细调控。若存在限定气化区或热影响区宽度的需求，则可考虑较快扫描速率下进行多次扫描实现。
对于GFRP材料，图5a与图5b为相同加工深度时微细铣削与激光辅助微细铣削的加工过程，普通微细铣削在加工过程中产生大量粉末状颗粒，而激光辅助铣削则为部分块状脱落且粉末状颗粒较少。由此可见，热影响区材料呈脆性，刀具在铣削过程中材料基本呈块状脆性剥离。从加工后截面（见图6）与表面（见图7a）中也可观察到材料表面块状脱落后产生的表面缺陷。在铣削加工过程中，材料在刀具的挤压作用下形成切屑，并沿刀具回转方向排出，在该过程中，除了刃口前端材料发生塑性变形做功外，刀具还会与切屑和已加工表面接触摩擦做功产生铣削热，从而对刀具产生一定影响，因此减少切屑粉末是减少刀具磨损的一个因素。图5c为CFPR的普通微细铣削加工，此过程中同样产生大量粉末状颗粒，同时伴有少量羽烟生成，这是切削温度高但碳纤维导热性较差而导致的热堵塞现象。CFRP的激光辅助微细铣削如图5d所示，加工时表现为块状脱落，但出现严重的表面毛刺现象，纤维在铣削过程中没有被有效切断。该现象产生的原因可能是铣刀直径大于气化区但小于热影响区，基体与碳纤维的热性能不同，因而在激光作用时发生气化，导致纤维间失去连接介质，使其失去约束力，从而导致铣刀的切削力难以作用于纤维。因此在激光辅助精细铣削过程中，应选择合适的激光参数使热影响区宽度小于铣刀直径。图7 微细铣削与激光辅助微细铣削加工GFRP表面对比考虑到0°/90°铺层的复合材料在加工时，加工性能通常以加工线路与纤维成45°时作为分界，因此本文针对加工线路与纤维呈0°/90°和45°设计试验，模拟真实加工场景，普通铣削与激光辅助微细铣削的表面质量差异如图7和图8所示。在两种铣削角度中，单一铣削的表面毛刺显著少于激光辅助微细铣削加工，相较于激光辅助微细铣削加工GFRP，CFRP表面的纤维受热影响区的影响更严重，纤维在加工过程中无法被有效切断，在表面杂乱分布，其中加工路线与纤维成0°/90°时尤为明显，严重影响表面质量。图8 微细铣削与激光辅助微细铣削加工CFRP表面对比如图9所示，对比微细铣削侧面，激光辅助微细铣削的毛刺现象有所缓解，具有更好的表面质量，这可能与玻璃纤维受热碳化后更易去除有关。虽然CFRP在激光辅助微细铣削加工中侧面毛刺现象较少，但其表面的毛刺难以去除，对加工质量存在严重影响。因此，在铣去气化区、保留部分热影响区的情况下，GFRP与CFRP材料在槽侧面均有更好的纤维去除表现，体现出更好的侧面形貌，但考虑到因热影响区的影响，GFRP表面存在块状脆性剥离而导致的缺陷以及CFRP表面毛刺难以去除，因此在实际加工GFRP与CFRP材料时，应选用直径大于热影响区的铣刀进行铣削。（a）微细铣削GFRP （b）激光辅助微细铣削GFRP（c）微细铣削CFRP （d）激光辅助微细铣削CFRP图9 微细铣削与激光辅助微细铣削加工GFRP与CFRP截面对比刀具寿命是加工技术中的重要参数之一，在微细铣削过程中铣削参数与刀具圆弧半径为同一数量级，因此主要为刀尖圆弧底部与侧刃参与实际铣削，刀尖的磨损最为严重。同时碳纤维在加工中回弹严重，切深抗力大，因此切削CFRP时，刀具磨损主要发生在后刀面。考虑到CFRP具有更大的加工难度，故通过观察加工CFRP的铣刀前、后刀面形貌，比较微细铣削与激光辅助微细铣削两种加工方式的可行性，如图10和图11所示。在相同加工次数下，从图10b可以看出，铣刀两齿的磨损状况相同，刀刃处的平整度较初始状态略微下降，且均在刀尖处出现微崩刃现象，刀具涂层保存完整。图10c中两刀尖处均发生了严重的基体磨损，同时旁边发现涂层磨损。从图11中刀尖处与前刀面的形貌可以看出，激光辅助微细铣削在抑制刀尖与前刀面的磨损方面效果显著。与单一微细铣削的刀具磨损相比，激光辅助微细铣削在控制刀具磨损方面有很大优势，磨损的减少主要来源于激光加工过程中去除了部分基体与增强纤维，使得加工过程中产生的切屑减少，以及激光加工产生的热影响区使材料在铣削中呈脆性剥离，大幅降低了加工难度，进而提高了刀具使用寿命。利用激光—微细铣削加工方法，针对GFRP与CFRP，探究了激光辅助铣削加工过程中激光与复合加工对材料的影响以及加工数据与性能。得到以下结论。（1）气化区与热影响区均呈现倒三角形状，基体部分气化完全，存在纤维拔出现象。CFRP的热影响区有明显的纤维分层现象。基体环氧树脂的特征吸收峰峰值随着与激光加工部位距离的减小而逐渐降低，在试验设计的参数间隔范围内，激光功率的增大与扫描速率的降低对气化区宽度和热影响区宽度呈现均匀上升趋势，而在热影响区深度方面，激光功率的影响要远小于扫描速率。（2）激光辅助微细铣削在加工CFRP过程中的刀面磨损情况明显小于普通铣削，仅在刀尖处存在微崩刃，而普通铣削在刀尖处存在严重的基体磨损与涂层剥落，该加工方法可以减轻复材加工过程中刀具磨损严重的问题。（3）利用激光—微细铣削去除气化区时，材料受热影响区影响呈块状脱落，产生较少粉尘，均为脆性剥离。GFRP因块状脱落导致表面存在少量过度去除现象，CFRP则表现为热影响区表面纤维大量翘起，无法去除。虽在槽侧面均有更好的纤维去除表现，在实际加工过程中铣刀直径应大于表面热影响区宽度，在完全去除掉激光加工痕迹的同时减少刀具磨损，延长刀具寿命。⊙文章版权归《工具技术》所有，欢迎转发，转载请联系。E-mail：toolmagazine@chinatool.nethttp://gjjs.cbpt.cnki.net工研所官方微信
![]()
工具技术官方微信
![]()
