复合化是新材料的重要发展方向,碳纤维属于高级复合材料的一种增强材料,它具有优异的性能。碳纤维复合材料在人造卫星及高性能飞机等航空航天领域中得到了广泛的应用。但是,碳纤维复合材料也是一种难切削加工材料,它的脆性大、硬度高,加工时容易出现分层、撕裂、崩刃、毛刺等问题,如何提高其切削加工性能是目前研究的重点和难点问题。切削力是切削加工中重要的性能参数,其大小将对切削热、刀具耐用度等产生直接影响,从而也将影响工件的表面质量和尺寸精度等。因此研究切削力的变化规律对实际切削加工有重要的指导意义。
        一、复合材料分类及性能
        复合材料是一种具有特殊性能的多相、三维固体材料,它是由两种及其以上具有不同的物理和化学性质的物质组合而成的。由于现代科技和材料学研究的不断发展和进步,复合材料的研究及其快速发展也成了必然。复合材料分为常用复合材料和先进复合材料。先进复合材料具有比强度高、比模量高、多功能性、材料与结构的同一性、耐腐蚀、耐高温、抗疲劳、各向异性和可设计性等一系列其他材料无法比拟的优越性能,是航空航天、宇航领域中不可或缺的工程材料,也越来越凸显其重要性。复合材料一般由连续相以及分布期间的分散相组成,前者称为基体,后者称为增强材料。通常,分散相包括增强纤维及其织物、颗粒状物质或晶须状的填充物。一般,由于需求的不同,需要在不同的基体中添加具有不同性能的增强材料,这样就可以获得具有更加卓越性能的复合材料。复合材料中的增强材料是其主要承受载荷的部分,它的力学性能在整体上决了着该复合材料的性能。通常情况下添加不同类型的增强材料将大大提高复合材料的屈服强度和弹性模量等性能。因为碳纤维复合材料在其应用时所表现出来的优越性能,所以现在它在大型民用飞机上等先进航空航天产品的消耗量呈现出几何级数增长的势头。同时,它的重要性也促进了碳纤维工业的发展和先进复合材料技术的日趋完善。毋庸置疑,碳纤维复合材料的这次重大应用的革命将大大促进它更加广泛地应用于其他领域。为了满足国内市场上对碳纤维复合材料不断扩大的需求量,我国必须加快其产业化和规模化的速度。
        二、试样制备与试验方法
        试验用航空碳纤维复合材料是三维编织复合材料，铺层形式为单向，板厚度为3.7mm。采用三因素三水平正交法在多功能磨削试验工作台上进行磨削试验，磨削参数的因素水平见表。
      
        工作台采用NC控制，可以分别改变径向进给速度和工作台进给速度［1］，即改变磨削深度ap和工件进给速度vw。试验选用超硬磨粒的平行砂轮，砂轮的基体为金刚石，结合剂为陶瓷，磨削力测量系统由KISLER三向压电式测力系统、YD－28A型动态电阻应变仪、INV306U型智能信号采集处理分析仪和 A／D卡及计算机等组成。试验的测力系统如图所示。
               

        三、试验结果与讨论
        1、正交磨削试验结果
              

        从表可知，陶瓷金刚石砂轮磨削工件时，试验方案的切向磨削力Ft和法向磨削力Fn最小；其次是第１组的；而第７组磨削参数的切向和法向磨削力最大。
        2、正交磨削试验结果极差。根据磨削力的试验结果，可以得出磨削力直观分析表，即极差分析表，如表所示。
          

        由表可知，陶瓷金刚石砂轮磨削工件时，各因素对于切向和法向磨削力影响的主次顺序均为磨削深度ap、砂轮线速度vs、工件进给速度vw。工件进给速度、砂轮线速度与磨削深度分别对切向和法向磨削力的影响。以工件进给速度vw对磨削力的影响为例，保持工件进给速度不变，取切向磨削力试验数据的平均值为该工件进给速度下的切向磨削力；取法向磨削力试验数据的平均值为该工件进给速度下的法向磨削力。可知，切向和法向磨削力均随着工件进给速度的增大而增大；随着砂轮线速度的增大而减小；随着磨削深度的增大而增大。从磨削机理的角度分析，砂轮线速度对磨削力的影响比较复杂，一方面砂轮线速度的增大将导致剪切角的变大，从而使剪切力降低；另一方面剪切角增大和砂轮线速度的提高又会使摩擦力增大［1］。虽然摩擦力随砂轮线速度增大而增大，但它的增大幅度比剪切力减小幅度要小很多，所以砂轮线速度的提高将最终导致磨削力减小。工件进给速度增大将使单位时间内磨削产生的磨屑增多，磨屑质量增大，从而导致磨削力增大。当砂轮径向进给量增加时，每颗磨粒的磨削深度随之增大，而且砂轮与工件的磨削接触弧长增长，同时参与磨削的磨粒颗粒数增多，从而导致磨削力的增大。
        3、磨削力经验公式的建立及显著性检验，磨削力的经验公式如下：
         
        可知，陶瓷金刚石砂轮磨削工件时，切向和法向磨削力回归模型的可决系数和调整的可决系数都很高，表明拟合优度很高。查Ｆ分布表可得到临界值Ｆ0.05（3.5）＝5.40945。可知，切向和法向磨削力的统计量F（t，n）远远大于Ｆ0.05（3.5），说明回归模型的三个自变量在总体上是线性显著的。由多元线性回归分析所求出的磨削力经验公式可知，影响磨削力各因素的主次顺序为磨削深度ap、砂轮线速 度vs、工件进给速度vw。该规律与前面极差分析所得出的结论是一致的。
        结论
        （１）通过进行极差分析，得到了磨削参数对切向和法向磨削力影响的主次关系，即磨削深度ap对切向和法向磨削力的影响最大，其次是砂轮线速度vs，影响最小的因素是工件进给速度vw。
        （２）通过多元线性回归方法得到了陶瓷金刚石砂轮磨削碳纤维复合材料的磨削力经验公式，经统计学检验其较好拟合了试验数据，具有一定的实用性。
        参考文献：
       ［1］张林波．碳纤维复合材料在航空领域的应用［J］．机 电产品开发与创新，2019.02．
       ［2］元凯．肖加余．碳纤维复合材料高速钻削实验研究［J］．工具技术，2019.03．
       ［3］向法军．梁军．孟松鹤．碳纤维复合材料切削机理的研究［J］．航空制造技术，2017.13．
       ［4］侯荣生．回转类碳纤维复合材料构件钻磨机床的研究［D］．大连：大连理工大学，2018．
       ［5］李伟．碳纤维复合材料磨削温度理论分析与试验研究［D］．大连：大连理工大学，2017．