銑削對定向有機玻璃表面應力影響的實驗研究

徐飛飛,劉其廣,呂杰,金鑫

北京航空材料研究院股份有限公司

1 引言

由于要求具備良好的透光率以及安全性,飛機座艙蓋、風擋、機艙、舷窗等部位的透明結構件對材料性能有嚴格的要求。在眾多透明材料中,定向有機玻璃因具備良好的韌性、抗銀紋性以及抗裂紋擴展性能,可以很好地滿足包含透光率和安全性等要求,因此被越來越多地應用在飛機座艙蓋、風擋、機艙和舷窗等結構件中。

為了獲得設計的零件形狀,銑削加工是該類零件制造過程的必要步驟之一,但銑削加工必然會引起表面質量變化,尤其是表面應力的變化[1],表面應力的急劇變化嚴重影響透明件的使用壽命,探索對透明件表面應力影響最小的銑削方式成為一個必須解決的難題。

當前對定向有機玻璃的研究主要集中在裂紋擴展、蠕變行為溫度效應、表面感光性能以及在線測量等方面[2-6]。針對定向有機玻璃,陳小剛等[3]研究認為,抵抗裂紋擴展性能對飛機安全性及使用壽命具有重要影響,同時通過實驗的方式對比分析了相同條件下三種定向有機玻璃的疲勞裂紋擴展性能,以及應力比、殘余應力對疲勞裂紋擴展速率的影響,為飛機座艙蓋航空有機玻璃選材、使用及維護提供了實驗依據。趙景云等[4]對定向有機玻璃工件平面內不同角度、不同頻率以及應力對疲勞擴展的影響規律進行了理論分析。除了可能產生的裂紋對表面質量進而對安全性產生負面影響外,定向有機玻璃的蠕變同樣是影響零件質量的重要因素之一。劉偉等[5]通過實驗的方式得到有機玻璃在20℃,50℃,75℃和不同應力下的蠕變規律并分析了蠕變特征。郭偉國等[6]分析了不同載荷方式下MDYB-3有機玻璃的變形與破壞行為,同時對變形試樣的破壞和斷裂進行了觀察和分析。馮海兵[7]在分析美國五代戰斗機座艙透明技術的研究進展時指出,美國第四代戰斗機座艙透明件風擋采用有機玻璃/膠片/聚碳酸酯材料多層結構或聚碳酸酯多層結構,可以看出,定向有機玻璃已經成為當前各類飛行器的主流材料。除此之外,準確獲取定向有機玻璃透明結構件的相關參數同樣非常重要。吳富等[8]為現場測量大型透明件的透光率和霧度,提出基于雙積分球結構的測量和系統參數標定方案,并設計研制了相應的透光率和霧度測量裝置,取得了良好效果。劉其廣等[9]基于五軸數控加工中心并利用光譜共焦位移傳感器和數據采集卡在線記錄運行過程中工件表面和機床各軸的位置坐標,對采集的兩組數據進行矢量求和,并通過開發軟件進行處理,實現透明件的非接觸測量與數學模型的重建。明五一等[10]深入總結了機器視覺檢測透明件技術發展近狀及現存問題,并進一步闡述了機器視覺檢測透明件的最新進展。除了上述重要因素外,劉全羽[11]分析了透明件在使用過程中的力學行為及其影響因素,認為其在使用過程中產生裂紋的原因主要是玻璃表面存在應力,導致疲勞裂紋產生。周曉軍等[12]采用聲彈檢測方法對表面應力的測量進行了研究,獲得了較高的測量精度。

除了上述研究,關于定向有機玻璃表面應力的研究較少。然而,表面應力對定向有機玻璃透明的質量影響顯著,所以必須控制零件成形過程中的應力。本文以定向有機玻璃為研究對象,采用不同的銑削方式測量其表面應力,該研究成果可以為定向有機玻璃的機械加工提供有效的指導。

2 實驗方案

采用YB-DM-10和YB-DM-11兩種常用的定向有機玻璃以及一種非定向有機玻璃YB-3進行對比研究。銑削平臺為GMC2550u五軸加工中心,如圖1所示;采用WPA-100-L應力雙折射測試儀對不同樣件加工前后的應力水平進行測試。加工刀具分別選用端銑刀和球頭銑刀,具體參數如表1所示。

表1 刀具參數

圖1 GMC2550u五軸加工中心

選擇直徑為20mm的銑刀對定向有機玻璃進行加工,所有序號的螺旋角都為35°,同時含有2個切削刃,采用三軸加工策略,所有樣品的尺寸為200mm×200mm×18mm,加工環境溫度為室溫。測試樣品與對應的加工工藝參數分組如表2所示,每組實驗有5個樣品。

表2 加工工藝參數

3 討論與分析

在上述實驗方案的指導下開展實驗,為了加強對比,對YB-3非定向有機玻璃的應力水平進行分析和討論。

圖2為表2中第1組試驗參數下YB-3非定向有機玻璃的1號樣品在加工前后的應力對比,可以發現,未切削時表面應力幾乎沒有變化,應力水平為0～0.005MPa,而加工后的表面應力達到0.025～0.1MPa。由應力云圖可知,加工后的應力云圖更加明亮,所以對于YB-3非定向有機玻璃來說,加工后的表面應力增加,不利于產品的壽命和后續加工。

(a)加工前應力云圖

為了驗證該實驗結果的正確性,采用另一個樣品重復上述實驗,實驗結果如圖3所示?？梢钥闯?未加工前表面應力范圍為0.005～0.1MPa,而加工后的表面應力變為0.095～0.2MPa。切削后表面應力變大,驗證了圖2所示結果。從云圖可以看到,加工前的云圖與圖2中加工后的云圖類似,加工后樣品內部的應力比加工前更加明顯。2號試樣加工前板材的平均應力值為0.030MPa,加工后為0.108MPa,增幅260%。

(a)加工前應力云圖

對于定向有機玻璃而言,需獲取未切削時原始樣品的表面應力,分別對YB-DM-10與YB-DM-11毛坯進行初始應力測試,如圖4所示。

(a) YB-DM-10

圖4a中,01～05表示定向有機玻璃YB-DM-10材料的1號到5號樣品,圖4b中,01～04表示定向有機玻璃YB-DM-11材料的1號到4號樣品?？梢园l現,對于YB-DM-10材料,1號、2號和5號樣品應力為1.75～2MPa,3號樣品的應力為1～1.25MPa,4號樣品的應力為1.25～1.75MPa。對于YB-DM-11材料,1號樣品的應力約為0.5MPa,2號樣品應力約0.5～1MPa,3號樣品應力為1～1.5MPa,4號樣品應力為0.4～0.5MPa。從圖4可以看出,即使是毛坯狀態下的定向有機玻璃,其表面應力狀態并非定值,存在較大差別,即加工前平板自身應力水平差距較大,平均最大差值為0.819MPa。為了研究銑削方式對樣品表面應力的影響,需要對同一樣品加工前后進行對比。

以定向有機玻璃YB-DM-11為例,研究加工前后應力水平的變化情況,采用端銑刀順銑策略進行加工,如圖5所示。未加工之前,定向有機玻璃YB-DM-11的表面應力變化范圍為0.51～1.1MPa,加工后期變化范圍為0.45～1MPa;加工前板材的平均應力值為0.735MPa,加工后為0.626MPa,減少14.8%。從應力云圖可以看出,左下角和右上角是最大應力區域,加工后該區域的應力分布得到一定程度的改善。由此可以得出,與非定向有機玻璃YB-3不同,銑削加工可以降低YB-DM-11定向有機玻璃的表面應力。

(a)加工前應力云圖

為了研究端銑刀逆銑對表面應力的影響,采用相同加工參數對4號樣品進行加工并測試,如圖6所示。

(a)加工前應力云圖

可以發現,加工前應力變化范圍為0.35～0.62MPa,加工后應力變化范圍為0.25～0.63MPa。從應力云圖可以看出,樣品四個角的應力為應力最大區域,加工后該區域的應力分布得到改善,加工前板材的平均應力值為0.429MPa,加工后板材的平均應力值為0.412MPa,減少了4%。雖然逆銑加工可以降低定向有機玻璃的表面應力,但是相較于順銑減幅不大,同時,銑削加工完成后對表面的影響浮動較大,頻率較高,可能會加速定向有機玻璃零件的損壞,不利于延長零件壽命。故不建議采用端銑刀對定向有機玻璃進行逆銑加工。

為了考慮端銑刀與球頭銑刀對定向有機玻璃的影響,采用球頭銑刀對定向有機玻璃進行加工。圖7和圖8分別為球頭銑刀進行順銑和逆銑時表面應力的變化情況。

(a)加工前應力云圖

(a)加工前應力云圖

圖7為球頭刀順銑前后的表面應力情況,加工前應力變化范圍1～2MPa,加工后應力變化范圍為0.9～1.25MPa?？梢钥闯?樣品右上角為最大應力區域,加工后該區域的應力分布得到改善,但該處仍為最大應力區域,可能是因為加工未完全消除該處應力。加工前板材的平均應力值為1.247MPa,加工后為1.039MPa,減少了16.7%。

圖8為球頭刀逆銑前后的表面應力情況,加工前應力變化范圍為1.5～2.7MPa,加工后應力變化范圍為1.3～2.3MPa?？梢钥闯?樣品左上角為最大應力區域,加工后該區域的應力分布得到改善,但是該處仍為最大應力區域,可能的原因是加工未完全消除該處的應力。加工前板材的平均應力值為1.94MPa,加工后為1.634MPa,減少了15.8%。說明球頭刀順銑和逆銑都可降低定向有機玻璃YB-DM-11的表面應力,并且降低的幅度相差不大。

4 結語

本文通過實驗定向/非定向有機玻璃的銑削加工后表面應力進行了研究,對比了加工前后的應力狀態,同時分析了不同銑削方式(順銑和逆銑)以及不同的銑削刀具對定向有機玻璃零件表面應力的影響規律。研究結果可為定向有機玻璃零件的銑削加工提供一定的理論指導。

(1)銑削加工可以改變定向有機玻璃零件的表面應力;

(2)即使是相同條件下加工的定向有機玻璃,其表面應力分布也不均勻,導致各個樣品的表面應力不一致,若要求表面應力的一致性,需要對定向有機玻璃毛坯成形工藝進行改進;

(3)對于不同類型的定向有機玻璃,銑削加工可能增加或減小表面應力,需對采用合適的工藝方案降低定向有機玻璃的表面應力進行研究;

(4)就端銑刀加工定向有機玻璃而言,順銑比逆銑更有利于實現表面應力的均勻性;就球頭銑刀而言,順銑和逆銑對表面應力的影響幾乎一致。對比端銑刀和球頭銑刀,端銑刀加工后的表面應力更均勻,所以在實際加工過程中,應優先選用端銑刀。