碳纖維復合材料T型銑刀的切槽試驗研究

蘇飛，袁軍堂，程寓，劉明坤

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094)

碳纖維復合材料 (CFRP)作為一種新型的結構材料，具有比強度高、比剛度大、成型工藝性能好等突出優點，在航空航天、汽車、風電葉片等制造上已得到了廣泛應用［1］。

在碳纖維復合材料零部件的制作中，某些重要的零部件需要切制大量的細小齒槽。碳纖維復合材料的機械加工存在很多問題，例如材料產生分層破壞、產生殘余應力、引起撕裂和毛邊等［2－5］。在齒槽的切制過程中，同樣存在很嚴重的類似問題。這些問題嚴重制約了此類零部件的加工質量和加工效率，因此，針對此類零部件切制齒槽的研究，對提高其加工質量和加工效率具有非常重要的現實意義。在碳纖維復合材料的銑削加工方面，國內外專家學者做了較多研究。路宗新［6］對碳纖維復合材料銑削加工進行了試驗研究，給出了刀具材料、刀具幾何參數和切削用量等。Wolfgang HINTZE等［7］通過單向碳纖維復合材料的銑削試驗，研究了不同纖維取向下切削表面產生缺陷的狀況，總結出了缺陷的發生區、擴散區和無擴散區。Yigit KARPAT［8］等使用兩種不同的刀具對單向碳纖維復合材料進行銑削試驗，研究了不同纖維取向下的切削力及其加工質量。目前，關于在碳纖維復合材料零部件上切制齒槽的研究鮮有報道。綜合考慮部分零件構形的特殊性，以及加工的實用性、易操作性，在CFRP零件的齒槽制作過程中，提出采用T型銑刀展開切制齒槽的試驗研究。

1 試驗方案

1.1 試驗條件

工件材料為板狀平紋編織碳纖維布疊層復合材料(T300/環氧樹脂，CFRP)，基體為熱固性環氧樹脂，厚度為9 mm，纖維直徑為7～8 μm，纖維體積含量是60～65%，試件是110 mm×20 mm×9 mm的小方條。

采用直柄焊接硬質合金 (YG6X)T型槽銑刀，直徑為20 mm，齒數為6齒，齒的厚度為4mm，螺旋角β=00，主切削刃前角γ=－50，后角α=200，刀尖平均半徑r=16 μm。

平紋織物CFRP制作成型后，交織結構中的經紗和緯紗難以分辨。試驗中試件是立放的，其中豎直方向的纖維束定義為經紗 (經向纖維)，水平方向的為緯紗 (緯向纖維)。T型槽銑刀的齒厚為4 mm(切削厚度)，因此，通過改變切削速度vc和進給速度vf，采用無冷卻方式在KVC1050M立式加工中心上進行對稱銑、順銑和逆銑的銑削試驗。對稱銑削所選用的切削速度vc和進給速度vf如表1所示。另順銑和逆銑所選用的切削速度vc=295 mm/min，ae=3 mm，進給速度vf為75，175，275，375 mm/min。

表1 對稱銑削所選用的切削速度vc和進給速度vf

試驗中動態銑削力測量的測試系統如圖1(a)所示，試驗裝置實物如圖1(b)所示。

圖1 銑削力測試系統和試驗裝置圖

1.2 缺陷評價方法

試驗中，對稱銑削和逆銑的切出側，以及順銑的切入側將發生不同程度的分層、撕裂和最外層纖維未被切除等缺陷 (最外層出現大面積未被切除的纖維，為了與毛刺缺陷區分開，將最外層纖維未被切除的缺陷單獨作為一種缺陷進行研究)。其中，以最外層纖維未被切除的缺陷最為嚴重。因此以最外層纖維未被切除的情況作為衡量缺陷大小的因子，簡稱殘余因子Fb，以此來表征制品表面的加工質量。最外層纖維未被切除的殘余因子Fb如式 (1)所示。

式中:Sa為未被切除的纖維面積，S為T型槽橫截面面積，如圖2所示。Sa通過立體顯微鏡和圖片處理軟件測得。

圖2 最外層未被切除的纖維

2 結果分析與討論

2.1 切削力分析

2.1.1 動態銑削力分析

通過快速傅里葉變換 (FFT)得到動態銑削力的頻域曲線。在銑削過程中，切削力的變化頻率是銑刀的刀齒通過率 (TPF)，穩定銑削力的振動能主要集中在TPF及其整數倍處［9－10］。但由于刀具的制造和裝夾誤差造成刀具系統不對稱，其變化頻率是主軸的轉動頻率 (SF)，因此穩定銑削力頻譜峰值主要出現在SF及其整數倍處［10］。由此可知，軸向切削力Fz和切削方向切削力Fy的振動比進給方向切削力Fx要嚴重，特別是軸向切削力Fz的振動非常劇烈，如圖3所示。其中，Fx除在主軸轉動頻率 (SF)、刀齒通過率 (TPF)和12SF下振動幅度較大外，其他頻率下振動幅度很小，因此，進給方向的切削較為平穩。Fz和Fy則不然，以Fz的振動最為劇烈。在頻率為3 885.5 Hz、3 990.48 Hz和4 190.67 Hz時，Fy的振動較為明顯。在頻率為7 000～10 000 Hz時，Fz的振動最為劇烈。這些分別從右側切削力的局部放大圖得到了體現。

CFRP為硬脆難加工材料 (硬度為HRC53～65)，纖維增強體和樹脂基體的力學性能相差顯著，它們的分布也并非均勻，因此，對它的切削主要以斷續切削形式進行，給刀具的切削帶來較大困難。此外，在切削過程中，刀齒頻繁的切入切出，刀具受到的沖擊較大。加上所采用的T型槽銑刀是直齒銑刀，銑削時刀齒沿全齒寬整體切入切出，使受到的沖擊力更大。因此，CFRP的斷續切削形式和刀齒的頻繁切入切出造成了切削方向切削力Fy的振動。同時，T型槽銑刀是全齒寬整體切入工件，切削中所產生的振動促使T型槽銑刀產生軸向“竄動”，產生了軸向切削力Fz的劇烈振動。

圖3 銑削力的FFT分析 (vc=195 m/min，vf=375 mm/min)

2.1.2 切削力與切削速度vc和進給速度vf之間的關系

在切削過程中，隨著切削層厚度的逐漸增大，切削層厚度趨于某一均值，切削力的最大值也逐漸接近某一定值，銑削力的這一區域簡稱穩定切削區，如圖4所示。在實際加工中，最大切削力直接影響刀具磨損、刀具的耐用度及其切削表面的質量，研究最大切削力的變化規律對實際加工具有重要的指導意義［11］，因此，以銑削力最大值的均值來衡量切削力的大小。

在穩定切削區，銑削力最大值的均值分別為Fxmax、Fymax和Fzmax，以此來衡量切削力的大小，它們隨切削速度vc和進給速度vf的變化規律如圖5所示。

圖4 動態銑削力 (vc=195 m/min，vf=175 mm/min)

圖5 切削力與切削速度vc和進給速度vf之間的關系

從圖5(a)—(c)可知，隨著切削速度vc的增大，Fx、Fy和Fz逐漸減小。但切削速度vc大于245 m/min時，Fx將逐漸增大。另外，當切削速度vc增大到245 m/min時，Fy和Fz增大較為平緩。

從圖5(d)— (f)可知，隨著進給速度的增大，切削力Fx、Fy和Fz逐漸增大。這是因為隨著進給速度vf的增加，單位時間內切削量增大，導致每齒的最大切削厚度增加，刀具前刀面與切屑的摩擦面積和刀具后刀面與已加工表面的摩擦面積均增大，因此，切削力隨之逐漸增大。

2.2 殘余因子Fb分析

2.2.1 最外層纖維未被切除的原因分析

對銑削過程進行高速拍照，可以清楚地看到，在切削過程中，T型銑刀上下副切削刃處的經向纖維迅速發生斷裂，隨著切削的進行部分緯向纖維逐漸被切除?？梢姡赥型銑刀上下副切削刃處產生了較大的集中應力。該處的切削能量將迅速轉移到經向纖維上，導致經向纖維發生迅速脆斷。

最外層未被切除的纖維主要來自緯向纖維以及與其保持黏結的經向纖維 (這部分經向纖維的上下兩側已被切斷)，分別簡稱殘余緯向纖維和殘余經向纖維。殘余緯向纖維的形成與切削處經緯的相對位置密切相關。當最外層緯向纖維出現圖6中的A情形時，最外層緯向纖維主要由層間黏結力q提供支撐，而層間黏結強度遠低于纖維的剪切強度，因此在緯向纖維發生斷裂前，層間黏結就已經發生破壞，此時緯向纖維將被主切削刃推擠開而產生“退讓”現象，導致這種情況下的緯向纖維不易被切除，最終形成殘余緯向纖維，如圖6(e)中的A所示。當最外層緯向纖維出現圖6中的B情形時，刀尖前端的經向纖維為緯向纖維提供了一定的支撐力p，此時形成一種“捆綁”效應，而經緯纖維的剪切強度相當，因此，當支撐力達到一定時，最外層緯向纖維將被主切削刃切除，如圖6(e)中的B所示。此外，在T型銑刀上下副切削刃處，部分經向纖維迅速發生脆斷，經緯纖維界面處的樹脂基體還來不及發生破壞，導致部分經向纖維與殘余緯向纖維仍保持黏結狀態，最終形成殘余經向纖維。

圖6 殘余緯向纖維的形成

圖中:q為刀尖前端層間粘結對緯向纖維的黏結力;p為刀尖前端經向纖維對緯向纖維的支撐力;τ'0為槽兩側經向纖維所受的應力。

2.2.2 殘余因子Fb與切削速度vc和進給速度vf之間的關系

最外層纖維未被切除的缺陷是齒槽銑削中最為嚴重的表面缺陷，將嚴重影響制品的加工質量。因此，以最外層纖維未被切除的殘余因子Fb來表征制品表面的加工質量。殘余因子Fb與切削速度vc和進給速度vf之間的關系如圖7(a)和 (b)所示。

圖7 殘余因子Fb與vf和vc之間的關系

從圖7可見，隨著切削速度vc的增大，殘余因子Fb呈減小趨勢，但減小幅度較小 (平均減小18.8%)。隨著進給速度vf的增大，殘余因子Fb呈減小趨勢，殘余因子Fb平均減小達46.63%。因此，與切削速度vc的影響相比，進給速度vf對殘余因子Fb的影響更大。

T型銑刀的齒寬為4 mm，一束纖維的平均寬度為2.5 mm，切削過程中必將包含兩種情形的緯向纖維。最外層未被切除纖維的減少以B情形下殘余緯向纖維的減少為主。隨著進給速度vf的增大，每齒進給量也隨之增大，刀尖前端的經向纖維更寬，所提供的支撐力p就越大，B情形下的緯向纖維則越容易被切除，致使殘余因子Fb減小。2.3 逆銑與順銑的對比分析

與切削速度vc的影響相比，進給速度vf對切削力和殘余因子Fb影響更大，因此，通過改變進給速度vf進行順銑和逆銑的對比試驗。通過試驗測得切削力和殘余因子Fb如圖8所示 (圖中S表示順銑，N表示逆銑)。

圖8 順銑和逆銑的對比分析 (vc=295 m/min，ae=3 mm)

從圖8(a)— (c)可知，隨著進給速度的增大，切削力逐漸增大，但逆銑時的切削力明顯比順銑時的大，且逆銑時的切削力Fy比順銑時的要高出1倍多。從圖8(d)可見，順銑時的殘余因子Fb明顯小于逆銑時的殘余因子Fb。因此，順銑比逆銑具有明顯的優勢。

3 結論

(1)隨著切削速度vc的增大，切削力逐漸減小，但切削速度vc大于245 m/min時，進給方向切削力Fx將逐漸增大。

(2)最外層未被切除的纖維主要有殘余緯向纖維和殘余經向纖維。隨著切削速度vc和進給速度vf的增大，殘余因子Fb均呈減小趨勢，但后者的影響更大，隨著它的增大，殘余因子Fb平均減小達46.63%。

(3)在相同切削參數下，順銑時的切削力和殘余因子遠比逆銑時的要低，因此，采用T型銑刀切制齒槽時，順銑比逆銑具有明顯的優勢。

［1］唐見茂.碳纖維樹脂基復合材料發展現狀及前景展望［J］.航天器環境工程，2010，27(3):269 －280.

［2］LIU Defu，TANG Yongjun，CONG W L.A Review of Mechanical Drilling for Composites Laminates［J］.Composites structures，2012，94:1265 －1279.

［3］鄭雷，袁軍堂，汪振華.纖維增強復合材料磨削鉆孔的表面微觀研究［J］.兵工學報，2008，12(12):1492 －1496.

［4］SAHRAIE JAHROMI A，BAHR B.An Analytical Method for Predicting Cutting Forces in Orthogonal Machining of Unidirectiongal Composites［J］.Composites science and Technology，2010，70:2290 －2297.

［5］鮑永杰.C/E復合材料制孔缺陷成因與高效制孔技術［D］.大連:大連理工大學，2010.

［6］路宗新.碳纖維樹脂基復合材料銑削加工技術［J］.煤礦機械，2009，30(10):102 －103.

［7］HINTZE Wolfgang，HARTMANN Dirk，SCHUTTE Christoph.Occurrence and Propagation of Delamination During the Machining of Carbon Fibre Reinforced Plastic(CFRPs)－An Experimental Study［J］.Composites Science and Technology，2011:1719 －1726.

［9］王民，李南京，袁偉軍，等.銑削過程的計算機仿真及試驗研究［J］.北京工業大學學報，2003，29(3):292－295.

［10］皇攀凌，李劍峰，孫杰，等.整體硬質合金立銑刀高速加工鈦合金振動分析［J］.粉末冶金材料科學與工程，2010，15(6):574 －579.

［11］王文杰，高航，懂波，等.電鍍金剛石工具“以磨代銑”C/E復合材料的試驗研究［J］.航空制造技術，2010，22:89－94.