CFRPs电火花加工热影响区抑制方法

赵一锦，耿家宝，杨晓冬

哈尔滨工业大学 机电工程学院，哈尔滨 150001

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRPs)是以碳纤维为增强材料，以环氧树脂为基体的新型复合材料。相比于传统金属材料，CFRPs具有比强度高、比模量高、密度小、抗疲劳特性好、抗震性好、可设计性强、高温性能好、成型性好等优势，被广泛地应用于航空航天、体育器材、房屋建筑、汽车设备等领域作为结构材料使用，如应用于卫星结构、运载火箭、精密支撑结构件、空间站大型结构桁架和太阳能电池机架等。

近年来，随着CFRPs在航空航天领域的应用日益广泛，对CFRPs成型件的要求也越来越高，CFRPs二次加工的需求随之增大。复合材料成型后，通常要与其他结构进行连接，由于机械连接具有可拆卸性，并具有良好的抗疲劳性能，所以CFRPs成型件中应用最为广泛的是以螺栓为代表的机械连接，因此CFRPs二次加工中多为制孔。但是由于CFRPs具有层间剪切强度低、抗剥离性能差等特点，致使CFRPs的孔加工存在很大困难，制孔的报废率达到了60%以上。据统计，航空航天飞行器中60%～80%的破坏都发生在连接部位。这表明对于CFRPs结构件来说，高质量高效率的制孔加工尤为重要。

目前较多采用的是用传统钻削加工方式对CFRPs进行孔加工，但是由于CFRPs材料硬度极高，对刀具的要求很高，刀具磨损严重。同时，由于加工过程中存在切削作用力与切削热，加工后会产生分层、毛刺、撕裂与热影响区等问题。针对传统切削加工CFRPs材料存在的问题，利用非机械能的特种加工方法也被用于CFRPs加工，如激光加工、水射流加工与电火花加工等。但激光加工通常会产生较大的热影响区。水射流加工由于存在加工作用力，会产生分层、锥度孔等缺陷，激光加工及水射流加工均存在局限，需要进一步改进。

电火花加工(Electrical Discharge Machining,EDM)利用电腐蚀现象对材料进行加工，为非接触式加工，特别适用于机械切削加工难以胜任的高硬度、高强度、高熔点、高韧性、高脆性等特殊材料的加工。有关电火花加工CFRPs的研究得到了众多研究者的关注。Lau等研究了电火花加工CFRPs的可行性，得到了铜电极在电极损耗方面优于石墨电极的结论；Park等对CFRPs与金属材料的微细电火花加工特性进行了比较，观察到CFRPs电火花加工时存在较大的入口损伤；Ito等、Mimma等、何振丰对CFRPs电火花线切割加工特性进行了研究；Akematsu等使用RC脉冲电源对CFRPs进行电火花孔加工，分析了加工参数对放电能量的影响；Habib和Okada、Ichii等使用晶体管脉冲电源对CFRPs进行盲孔加工，研究加工参数对加工速度、电极损耗与表面质量的影响；Ahmad等、Lodhi等、Korlos等对CFRPs通孔加工进行研究，分析了放电参数(放电电流、开路电压、脉冲宽度、脉冲间隔和电极转速)对电火花加工CFRPs材料去除率、电极磨损率及表面质量的影响；Kumar等、Teicher等使用碳化钨电极对CFRPs进行微孔加工，分析了加工参数对加工质量的影响；杨晓冬和黄潇南对CFRPs电火花加工的放电凹坑进行了研究；张俊清等提出一种高速电火花穿孔加工方法，通过专用夹具将加工中产生的有害粉尘集中收集，为CFRPs高效、低成本、绿色加工提供了一种新途径；Yue等、Ito等对CFRPs的放电蚀除机理进行了研究。

以上研究均显示出CFRPs电火花加工表面存在明显的热影响区，这导致热分解温度低的树脂材料先被蚀除，而失去树脂支撑的碳纤维则发生裸露和翘曲等，从而在放电过程中容易引起拉弧，并影响表面质量。研究表明放电参数(如放电电流、开路电压、脉冲宽度和脉冲间隔)和工具电极材料及电极转速等都对热影响区有影响。此外，对于电火花加工来说，脉冲电源是影响其加工性能的重要因素，电火花加工的脉冲电源主要有2种类型，分别为晶体管脉冲电源和张弛式RC脉冲电源，Gotoh等对比研究了晶体管脉冲电源和RC脉冲电源电火花加工CFRPs的热影响区，研究发现，相比于晶体管脉冲电源，RC脉冲电源可获得较小的热影响区。这是由于RC脉冲电源在极间击穿的瞬间产生较大的峰值放电电流，之后迅速结束放电，放电时间很短，因此产生的热影响区较小。但RC脉冲电源的放电能量难以控制，且放电状态受极间状态影响较大，尤其是电火花加工CFRPs时，作为放电屑被蚀除的碳纤维具有较大的尺寸，如果没有及时将其从极间排出则容易引起短路和拉弧等，特别容易陷入不稳定的放电状态。相比于RC脉冲电源，晶体管脉冲电源具有放电能量可控、不受极间状态影响等特点，因此可以认为晶体管脉冲电源更适合用于CFRPs材料的电火花加工。但是，在脉冲放电能量相同的条件下，如何减小晶体管脉冲电源电火花加工CFRPs的热影响区，以得到高质量的CFRPs电火花加工表面，目前尚未见有相关的研究报导。

不同的脉冲电源类型及不同的放电参数组合意味着不同的放电能量施加方式，进而对热影响区产生影响。以晶体管脉冲电源为研究对象，为抑制该电源在加工CFRPs时产生的热影响区，首先通过电火花加工CFRPs的温度场仿真计算，明确能量施加方式对电火花加工CFRPs热影响区的影响；进而晶体管脉冲电源条件下的能量施加方式对热影响区的影响进行实验研究，分析不同放电极性对热影响区的影响。

1 CFRPs热影响区建模与仿真

电火花加工为热加工，利用工具和工件(正、负电极)之间脉冲性火花放电时电腐蚀产生的瞬时电热作用来实现对材料的蚀除，其加工特性主要取决于材料的热学性能(如熔沸点、比热容、热导率)和电气性能(如电阻率)。CFRPs由碳纤维、环氧树脂2种材料复合而成，具有非均质性和各向异性等特性，导致了CFRPs完全不同于金属的放电蚀除机理和放电特性，其蚀除形式包括碳纤维和环氧树脂的高温氧化去除、热分解去除和汽化去除，所形成的大量高速的气状喷流冲击放电点处的碳纤维束，使碳纤维断裂进而被抛入极间形成较长的碳纤维蚀除屑。并且，碳纤维热分解时，温度低的树脂材料先被蚀除，失去树脂支撑的碳纤维则发生裸露和翘曲，在放电过程中容易引起拉弧，进而影响表面质量。因此，需要明确CFRPs电火花加工的温度场分布及其影响因素。

1.1 仿真模型

如图1所示，在CFRPs的实际制作过程中，首先将单根碳纤维通过编织工艺编织成碳纤维布，然后将多层碳纤维布与树脂材料通过一定的成型工艺固化成型为一体。

图1 材料模型示意图Fig.1 Schematic diagram of material model

在CFRPs制作过程中，通常碳纤维之间被环氧树脂隔离，尽管碳纤维材料具有一定导电性，但是环氧树脂属于绝缘材料，因此理论上CFRPs呈现电绝缘状态，但是在实际中，CFRPs具有一定的导电性。这说明在制作CFRPs过程中，由于制作工艺等原因，CFRPs内部的碳纤维并未完全被环氧树脂隔离，而是相互接触，从而使CFRPs呈现一定的导电性。因此，如图2所示，本文将实际中的CFRPs材料简化成直径为8 μm的碳纤维均匀分布并相互接触，碳纤维与碳纤维之间的空隙均匀填充环氧树脂材料。如图2(a)所示所建模型长200 μm、宽400 μm、高200 μm。放电发生在垂直碳纤维编织平面，由于CFRPs为高阻材料，在温度场计算中不仅考虑来自放电通道的表面热源，还要考虑由放电电流引起的焦耳热。仿真边界条件如图2(b)所示，电流密度与热流密度作用在该区域，其中电流密度被认为均匀分布在能量输入区域，热流密度通过高斯热源来模拟。模型底面设置为零电势(=0)。同时，为简化仿真模型，除能量输入区域外，其他区域均被认为绝缘绝热。材料的相关属性如表1所示。在仿真中，考虑CFRPs材料各向异性，碳纤维轴向、径向的热导率分别取50、5 W·m·K。

图2 仿真模型示意图Fig.2 Schematic diagram of simulation model

表1 CFRPSs材料属性[26] Table 1 Material properties used for simulation[26]

放电通道的热流密度为

(1)

式中：为距离放电通道中心的距离,m；(,)为时刻位置处的热流密度,W·m；()为时刻放电通道中心处的最大热流密度,W·m；为热源集中系数，取4.5；()为等离子通道直径，通过高速摄像机观测到仿真条件下等离子通道直径约为120 μm。

一次放电分配到工件上的放电能量为

(2)

式中：为分配到工件上的能量百分比，取0.4；()为极间放电电压，取()=25 V。根据式(2)，可求得高斯热源中心处的热流密度的表达式为

(3)

如图2(b)所示，放电电流以均匀分布的电流密度作用于放电通道作用区域内，计算公式为

(4)

式中：()为放电电流，A。

1.2 仿真结果

如表2所示仿真条件，本研究采用相同的单脉冲放电能量(单个脉冲能量大小为=()()=3×10J)、但通过不同的放电电流和脉冲宽度组合，得到不同的放电功率，分别在低功率能量输入方式(放电电流2 A、脉冲宽度60 μs)与高功率能量施加方式(放电电流8 A、脉冲宽度15 μs)下对工件材料温度场分布和热影响区进行模拟。

表2 仿真条件Table 2 Simulation conditions

Negarestani等在空气中CFRPs的热重分析结果可知，当CFRPs温度超过1 150 K时，碳纤维可被氧化成为CO/CO，因此当温度高于1 150 K时，碳纤维发生去除。图3(a)、图3(b)分别为在低功率能量输入方式与高功率能量施加方式下的温度场分布仿真结果。

图3 温度场仿真结果Fig.3 Temperature field simulation results

图3中1 150 K等温线内部材料高于碳纤维氧化点(1 150 K)和树脂材料的热分解点(693 K)，可以认为该区域材料全部被蚀除，即该区域为蚀除区域。白色实线表示693 K等温线，由于该部分高于树脂材料的热分解温度(693 K)，但低于碳纤维氧化点，因此可认为该部分的树脂被去除，而碳纤维残留，从而造成纤维裸露，可认为1 150 K等温线和693 K等温线之间的区域为热影响区。热影响区在平行碳纤维方向较大，垂直碳纤维方向较小。如图3所示，低功率能量输入方式下，放电表面平行碳纤维方向和垂直碳纤维方向的热影响区厚度分别为31、19 μm，深度方向热影响区厚度为8 μm；高功率能量输入方式下，放电表面平行碳纤维方向和垂直碳纤维方向的热影响区厚度分别为15、11 μm，深度方向热影响区厚度为3 μm。可见，在单次放电能量相同的条件下，高功率放电能量(较大电流，较小脉宽)有利于减小热影响区。热影响区中由于缺少环氧树脂支撑，导致碳纤维裸露。裸露的碳纤维易引起短路和拉弧。热影响区越大，裸露的碳纤维越多越长，表面加工质量越差。

仿真结果还发现，低功率能量输入方式下蚀除区域体积为7.581×10μm，高功率能量输入方式下蚀除区域体积为1.109×10μm。这是由于在高功率能量输入方式下，放电电流更高，放电过程中产生的焦耳热大，有利于提高材料的蚀除速度。

2 实验方法

2.1 实验装置

利用图4所示的自制电火花加工装置进行CFRPs通孔加工实验。轴采用交流伺服电机驱动，进给精度为1 μm，电源为晶体管脉冲电源。工具电极通过绝缘陶瓷薄壁套筒装夹在电主轴的夹头上(NAKANISHI BM-320)，电主轴最高转速可达80 000 r·min，主轴回转精度为1 μm，本实验中使用5 000 r·min的转速。

图4 实验装置Fig.4 Experimental setup

首先以煤油为工作介质进行实验研究，结果发现无论是正极性加工还是负极性加工，都出现了严重的积碳现象，如图5所示。因此，采用去离子水为工作介质，采用浸液和冲液组合的方式，用过滤循环系统对工作液槽中的去离子水进行实时过滤，同时在加工过程中利用喷嘴对准加工区域以一定压力进行冲液，以及时将放电蚀除的碳纤维从极间排除。

图5 煤油介质加工中积碳现象Fig.5 Carbon deposition in kerosene media processing

工具电极为∅6 mm的铜棒，在进行电火花孔加工之前，先利用材料为钨的块电极对工具电极的外径和放电端面进行放电磨削，以去除电极安装偏心，并加工到需要的直径尺寸，加工后的铜电极尺寸为∅5 mm，通过对电极底面的磨削保证其底面的平整度。

实验中使用的CFRPs工件材料厚度1 mm，其性能参数如表3所示。

为防止电火花加工通孔结束前孔出口处裸露的碳纤维带来的表面损伤，如图6所示在片状CFRPs工件两侧各用1片厚度为1 mm的塞尺夹紧，塞尺上预留直径为6 mm的定位孔，2片塞尺上的孔对齐，该孔位为电火花孔加工位置。

表3 加工材料CFRPs性能参数Table 3 Properties of CFRPs

图6 工件夹持方式Fig.6 Workpiece-holding method

每组加工条件下进行4次通孔加工实验，加工结束后，使用CCD对工件表面的热影响区进行测量，通过测量加工前后工件质量和加工时间计算加工速度。

2.2 实验条件

电火花加工的电参数包括开路电压、脉冲宽度、脉冲间隔、放电电流和加工极性等。一次放电能量为极间放电电压和放电电流的乘积在放电持续时间内的积分。晶体管脉冲电源情况下，极间放电电压为确定的放电维持电压值，如果忽略放电延迟时间的影响，单脉冲放电能量近似等于放电维持电压、放电电流和脉冲宽度的乘积。保证单次放电能量相同的条件下，分别采用不同的放电功率进行对比实验。加工条件如表4、图7所示。分别采用4组不同的放电电流与脉冲宽度组合方式，单脉冲放电能量均为3×10J，从能量施加方式1到能量施加方式4，放电功率依次增加。脉冲间隔时间分别取为不同的值，以保证脉冲周期均为100 μs，即保证单位时间的放电次数相同。

表4 实验加工参数Table 4 Experimental processing parameters

图7 能量施加方式Fig.7 Energy application method

3 实验结果及分析

3.1 能量施加方式的影响

图8所示为不同能量施加方式条件下(为放电电流，为脉冲宽度)电火花加工得到的孔入口和出口侧照片。由图可知，利用电火花加工对CFRPs进行孔加工，所得到的孔圆整，但在孔入口、出口侧会产生不同程度的热影响区，这导致了不同的加工表面质量。

电火花加工产生的热影响区如图9所示，可知在热影响区内，由于树脂受热被去除，造成碳纤维残留裸露。但是，由于电火花加工为非接触加工，不存在切削作用力，因此不存在CFRPs钻削加工的毛刺、崩边和撕裂等损伤，碳纤维的去除形式主要为高温蒸发去除、氧化去除和受高温高压去除材料的喷气作用折断去除。

图8 不同能量施加方式下的热影响区Fig.8 Observation of heat affected zone under different energy application methods

图9 加工孔周围热影响区Fig.9 Heat affected zone around machined hole

如图10所示，测量加工孔直径，以加工孔的圆心为圆心，将能包含全部热影响区域的最小圆直径定义为热影响区直径。采用热影响区表征系数HAZ进行热影响区的评价，计算公式为

(5)

每组加工条件分别进行4次加工实验，测量后得到出入口直径平均值和热影响区直径平均值如表5所示，热影响区表征系数HAZ的平均值如图11所示。结合表5、图8、图11可知，在单个脉冲放电能量相同的情况下，放电功率越大，热影响区越小，加工表面质量越好。

图10 热影响区测量示意图Fig.10 Schematic diagram of HAZ measurement

表5 加工测量结果Table 5 Processing measurement results

图11 能量施加方式对热影响区的影响Fig.11 Influence of energy application method on heat affected zone

其中放电功率最高的能量施加方式4(放电电流8 A，脉冲宽度15 μs)的热影响区表征系数为放电功率最低的能量施加方式1(放电电流2 A，脉冲宽度60 μs)的热影响区的81%。放电功率较低时，热影响区域较大，该区域内碳纤维裸露，容易发生短路和拉弧，此时热量沿碳纤维方向迅速传导，导致碳纤维周围树脂达到热分解温度，进而影响表面质量。而放电功率较高时，热影响区域较小，碳纤维裸露少，避免了拉弧和短路的发生，可得到更好的孔加工表面质量。前文仿真结果虽然针对的是单脉冲放电，但在连续脉冲条件下，仿真结论也是同样的，实验结果与仿真结果一致。

此外还发现较高放电功率有利于提高加工速度，如图12所示，这与仿真结果一致。能量施加方式4为放电功率最高的能量施加方式，能量施加方式1为放电功率最低的能量施加方式，能量施加方式4的加工速度为能量施加方式1的1.56倍。对此本文还对加工过程中工具电极与工件之间的放电电压和放电电流波形进行观测，不同能量施加方式下的典型放电波形对比如图13所示。正常放电时，由于每次放电结束之后会经历一次极间介质的绝缘恢复，工具电极和工件之间的电压也会在每次放电结束之后恢复到较高的开路电压；而如果短路和拉弧状态较多、放电状态不好时，则每次放电结束后极间不能正常恢复绝缘，工具电极和工件之间的电压也不能恢复到较高的开路电压。正常放电次数多意味着有效放电次数多，有利于提高加工速度。而短路和拉弧是电火花加工需要避免发生的状态，该状态下不仅使加工速度变慢，而且使加工表面质量变差。由图13可知，在较小放电功率的能量施加方式下，正常放电波形较少，短路和拉弧状态较多，加工过程中可发现极间经常发出持续时间较长的火光，拉弧现象明显，这不仅导致工具电极频繁回退，加工速度慢，还进而加剧了加工表面的热影响区。而在较大放电功率的能量施加方式下，多为正常放电波形，有效放电次数多，因此获得了较高的加工速度。

图12 能量施加方式对加工速度的影响Fig.12 Effect of energy application method on processing speed

1—电压波形；2—电流波形图13 放电波形的观测结果Fig.13 Discharge waveform diagram

3.2 加工极性的影响

在如表6所示的加工条件下，改变电火花加工过程中的加工极性，观察不同加工极性下加工表面的热影响区。

表6 实验加工参数Table 6 Experimental processing parameters

由图14可知，相比于负极性加工，正极性加工的热影响区较小。这是由于分配给正极的放电能量要大于负极，因此正极性加工速度要远高于负极性加工。较短的加工时间有利于减小热量的累积，从而减小热影响区。

图14 不同极性加工条件下的热影响区Fig.14 Heat affected zone under different polarity processing

4 结 论

1) 在单个放电脉冲能量相同的情况下，相比于低功率的能量施加方式，高功率的能量施加方式能有效抑制热影响区大小，并可提高加工速度。

2) 相比于负极性加工，正极性加工有利于减小热影响区，且可加快加工速度。

受实验中所使用的脉冲电源参数选择范围的局限，脉冲宽度未能达到足够小，放电电流未能达到足够大，因此，虽然在保证单个脉冲放电能量相同的前提下，通过对脉冲宽度和放电电流进行不同的组合，即通过改变不同的能量施加方式使热影响区得到了有效抑制，但仍存在较明显的热影响区。在今后的研究工作中，将通过对脉冲电源进行改进，进一步减小脉冲宽度并提高放电电流，实现单个脉冲放电能量的瞬间快速施加，从而获得足够大的放电功率，则有望实现无热影响区的CFRPs电火花加工。