碳纖維復合材料螺旋銑孔銑削力及銑孔質量試驗研究

王明海，劉娜，徐穎翔，劉大響，姜慶杰

(1．北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京 100191;2．沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，遼寧沈陽 110136;3．中航工業沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司技術中心，遼寧沈陽 110043)

0 前言

碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)由于具備比強度高、質量輕、抗疲勞性能好、耐腐蝕等卓越的力學性能，越來越廣泛地用在航空航天工業中的飛機機身和機翼［1］。然而，在碳纖維復合材料二次加工過程中，經常發生分層、起毛、纖維拔出等加工缺陷，從而降低材料的性能及疲勞壽命。此外，由于碳纖維的高磨蝕性，導致刀具磨損過快，這都嚴重影響碳纖維復合材料的廣泛使用［2］。

傳統鉆孔時，由于鉆頭橫刃對材料的擠壓作用，大大增加了軸向力，惡化制孔質量。然而，螺旋銑采用偏心加工，消除了傳統麻花鉆橫刃的作用，有利于改善加工質量。秦旭達等［3］對螺旋銑孔動力學進行分析，具體描述螺旋銑孔的優勢以及在航空制造業中廣泛的應用前景。王奔等人［4］和朱春燕等［5］通過碳纖維復合材料傳統鉆孔和螺旋銑孔對比試驗，發現螺旋銑孔下的軸向力、切削溫度及加工質量均要比傳統鉆孔好。DENKENA等［1］對螺旋銑孔下未變形切屑的幾何形貌進行建模，從而分析軸向和切向進給量對切削力的影響。Zhongqun LI等［6］建立了一種螺旋銑削的新型動態切削力模型，并借此對碳纖維復合材料螺旋銑孔下切削力進行預測。

通過碳纖維復合材料螺旋銑孔正交試驗，對不同切削參數下的切削力進行監測，利用線性回歸的手段，推導出軸向力Fz和平面切削力Fxy的經驗公式。然后對螺旋銑孔下孔加工質量進行探討，分析切削參數對加工質量的影響。

1 試驗設計

1．1 螺旋銑孔運動軌跡分析

在傳統鉆孔過程中，切削參數主要包括鉆頭自轉轉速和沿軸向進給速度。然而，螺旋銑孔時刀具中心的運動軌跡是一條螺旋曲線，銑刀自轉的同時還繞待加工孔的軸線公轉，延孔軸線方向的進給速度保證切削連續進行，如圖1所示。其中Dm為銑刀直徑，e為偏心量，即待加工孔軸線與銑刀軸線之間的偏移距離，根據Dm和e可以計算出待加工孔直徑D;n和ng分別為銑刀自轉轉速和公轉轉速;ap為螺旋線的螺距，也就是銑刀每公轉一周沿軸線方向進給的距離［4］;fc為xoy水平面內銑刀中心的進給速度，并且記St為銑刀中心每齒進給量。

圖1 螺旋銑孔運動示意圖

1．2 切削參數選擇

在螺旋銑孔過程中，銑刀自轉轉速n通常遠大于軌道轉速ng，因此可以近似認為切削速度v正比于銑刀主軸轉速n，故螺旋銑孔切削工藝參數包括主軸轉速n、銑刀中心每齒進給量St以及軸向切削深度ap。采用正交表L25(53)對碳纖維復合材料進行螺旋銑孔試驗［7］，各切削參數的因素水平表如表1所示。

表1 切削參數及因素水平表

1．3 試驗條件

試驗中工件材料為T700碳纖維環氧樹脂復合材料，鋪層角度為［0°/90°/+45°/-45°/0°］s，對稱鋪層以消除層間耦合效果，其纖維的體積比為60±5%，工件厚度約為4 mm，待加工孔的直徑為8 mm。在螺旋銑孔過程中，銑刀直徑與待加工孔直徑的比例大約為55%～90%［8］。因此，采用直徑為6 mm的四刃硬質合金銑刀進行加工，刃部覆TiAlN涂層以增強刀具的強度和韌性。

螺旋銑孔試驗在VMC850B三坐標立式加工中心上進行，如圖2所示，碳纖維復合材料板固定在YDX-Ⅲ9702型壓電式銑削測力儀上，3個方向的切削力信號通過SINOCERA YE5850型電荷放大器進行放大處理，再經DIN-50S型A/D轉換器轉換后通過PCI-9118DG型多功能數據采集卡獲得模擬信號，并在切削力動態測量顯示系統軟件中進行分析處理。由于碳纖維切屑的導電性，易造成電器設備的短路，同時碳纖維粉塵吸入人體后危害人的健康。試驗過程中，利用吸塵器對產生的碳纖維切屑進行收集。

圖2 試驗設備連接

2 結果分析

2．1 切削力

切削力是反映加工過程的重要參數，切削力的大小和波動情況直接體現加工狀態并影響加工表面質量［9］。在碳纖維復合材料制孔過程中，軸向力是造成孔壁周圍材料分層，孔出入口撕裂、毛刺等重大缺陷的主要因素［10］。因此，準確地預測碳纖維復合材料螺旋銑孔過程中切削力的大小不僅可以反映銑刀和碳纖維復合材料之間的相互作用，還可以借此預測孔加工質量，對理解螺旋銑孔的切削機理有重要的參考價值。

圖3為主軸轉速n=2 000 r/min、銑刀中心每齒進給量St=0．02 mm/齒、軸向切削深度ap=0．1 mm/r時的3個方向切削力變化曲線，其中z方向為銑刀進給方向，xoy平面為工件表面。

圖3 切削力變化曲線

從圖中可以看出，在穩定切削階段，x方向和y方向的切削力均呈周期性變化，并且峰值基本相同，這是因為所加工的碳纖維復合材料的鋪層角度為［0°/90°/+45°/-45°/0°］s，材料性能為準各向同性，即材料在xoy平面內任意方向的宏觀性能均基本相同;此時，由進給產生的z向切削力沒有太大的波動，由于銑刀切削刃全部參與切削，軸向切削力達到最大值，并且基本穩定在55．5 N左右。

由前面分析可知，在穩定切削階段x方向和y方向的切削力變化曲線僅僅相差一個相位差。因此，取Fxy為穩定切削時Fx或Fy的峰值，即:

為了分析不同切削參數下各向切削力的變化規律，改變切削參數進行碳纖維復合材料螺旋銑孔正交試驗，并以Fxy和Fz作為監測對象，試驗結果列于表2中。

再次，就貼牌生產的問題而言。重慶自貿區大約占地120平方公里。其中包括兩江新區、沙坪壩區、重慶西部物流園、西永微電子產業園區。今年新建的重慶自由貿易區擁有全面開放的特點，這使得通關和出境條件便利，利于自由貿易區內定牌加工行為的增加，這也導致知識產權侵權現象會更加普遍。

表2 碳纖維復合材料螺旋銑孔正交試驗結果

切削力經驗公式是將切削力試驗數據整理后總結出的數學關系式。它具有結構簡單、物理意義明確、符合實際等特點，是科研工作中常用的一種手段。通過切削力經驗公式的建立，還可以反過來進一步指導相關的科研工作和實際生產［11］。

根據文獻［12］中關于切削力的介紹，得到切削力試驗公式的指數形式:

將式(2)方程兩邊同時取自然對數，整理后得:

式中:y=ln F;x1=ln n;x2=ln St;x3=ln ap。

將不同切削參數下軸向力Fz的數據導入到式(3)中，并利用SPSS數據分析軟件進行多元線性回歸分析，得到各偏回歸系數的估計值:b0=6．536 5、b1=-0．072 8、b2=0．304 7、b3=0．329 2，即:

轉換回原指數形式，即可得到碳纖維復合材料螺旋銑孔軸向力Fz的試驗公式:

但是，上述回歸方程是否準確，還需要對各偏回歸系數b1、b2、b3進行顯著性檢驗。文中使用F檢驗法對各偏回歸系數和回歸方程進行檢驗，檢驗結果如表3所示。

表3 軸向力回歸模型方差分析

從回歸方程(5)中可以看出，主軸轉速n的指數b1=-0．072 8，銑刀中心每齒進給量St的指數b2=0．304 7，軸向切削深度ap的指數b3=0．329 2。其絕對值b3＞b2＞b1，說明軸向切削深度ap對軸向力Fz的影響最大，銑刀中心每齒進給量St其次，主軸轉速n的影響最小。而b1為負，說明主軸轉速n與軸向力Fz負相關，即隨著主軸轉速的增加，軸向力減小;b2和b3為正，說明銑刀中心每齒進給量St和軸向切削深度ap與軸向力Fz正相關，即隨著銑刀中心每齒進給量和軸向切削深度的增加，軸向力也隨之增加。因此，在碳纖維復合材料螺旋銑孔過程中采用高的主軸轉速、小的銑刀中心每齒進給量和小的軸向切削深度，有利于減小軸向力。

同樣，利用式(3)對平面切削力Fxy進行多元線性回歸，經過SPSS回歸計算后得到各偏回歸系數的估計值:b0=3．718 3、b1=-0．045 7、b2=0．244 5、b3=0．146 8，即:

因此，碳纖維復合材料螺旋銑孔平面切削力Fxy的試驗公式:

對平面切削力Fxy回歸方程(7)以及各偏回歸系數b1、b2、b3進行F檢驗，檢驗結果如表4所示。從表中可以看出，各偏回歸系數和回歸方程都是十分顯著的(＊＊)。

表4 軸向力回歸模型方差分析

在平面切削力Fxy回歸方程(7)中，主軸轉速n的指數b1=-0．045 7，銑刀中心每齒進給量St的指數b2=0．244 5，軸向切削深度ap的指數b3=0．146 8。與軸向力的變化規律一樣，b1為負、b2和b3為正，因此，通過增加主軸轉速、減小銑刀中心每齒進給量并減小軸向切削深度，能夠獲得較小的平面切削力。但是，各切削參數對平面切削力的影響程度與軸向力不同，由于絕對值b2＞b3＞b1，故銑刀中心每齒進給量St對平面切削力Fxy的影響最大，軸向切削深度ap其次，主軸轉速n的影響最小。

2．2 加工質量

在碳纖維復合材料傳統鉆孔中，常常在出口處產生撕裂、分層等加工缺陷，這將嚴重降低材料的強度和承載能力［13］。究其原因，主要是因為傳統鉆孔時軸向力較大，當鉆頭加工到底層材料時，未切削部分的厚度逐漸減小，強度也隨之下降，當軸向力超過復合材料層間結合強度時，將發生分層現象。

由前面分析可知，當主軸轉速n=2 000 r/min、銑刀中心每齒進給量St=0．06 mm/齒、軸向切削深度ap=0．5 mm/r時，軸向力Fz和平面切削力Fxy有最大值，對應的加工孔入口、出口質量如圖4所示。從圖中可以看出，在孔入口和出口處均有毛刺產生，但是沒有發現明顯的撕裂、分層等不可修復的加工缺陷。在螺旋銑孔過程中，銑刀側刃在切除材料的同時對已加工部分產生一個向上的分力［4］，如圖5所示。在孔入口處，由于已切削部分厚度較小，強度較低，對切削力產生缺陷的抵抗能力較差，從而導致毛刺現象的產生。孔出口缺陷通常與軸向力有直接的聯系，然而，螺旋銑孔由于其加工特點，能有效減小軸向力，因此孔出口質量較好，只有少量的毛刺產生。

圖4 孔加工質量

圖5 銑刀側刃產生的切削力

通常，金屬材料的毛刺強度較大，一旦形成，只能通過其它工藝將其去除。但是，碳纖維復合材料孔周圍毛刺極易折斷，導致孔與孔之間的毛刺高度沒有明顯規律，而在實際加工中，毛刺根厚度更難去除，需要的成本更高。不同切削參數下毛刺根厚度變化如圖6所示，從圖中可以看出，當軸向切削深度ap一定時，毛刺根厚度基本保持不變，因此推斷碳纖維復合材料入口毛刺根厚度主要受到軸向切削深度的影響。

圖6 毛刺根厚度變化曲線

取相同軸向切削深度下毛刺根厚度的平均值，并結合軸向切削深度分析，探討兩者之間的關系，其結果如圖7所示。從圖中可以看出，毛刺根厚度與軸向切削深度近似于二次函數的關系，擬合結果為:

式中:l表示軸向切削深度ap時的毛刺根厚度，相關系數為0．969 16，說明擬合曲線與實際情況十分相符。

圖7 毛刺根厚度與軸向切削深度的關系曲線

3 結論

(1)通過對加工過程中的切削力進行監測，得到不同切削參數下的軸向力Fz和平面切削力Fxy，并結合指數形式的切削力經驗公式，推導出關于主軸轉速n、銑刀中心每齒進給量St和軸向切削深度ap的軸向力Fz和平面切削力Fxy經驗公式。

(2)對碳纖維復合材料螺旋銑孔下入口和出口質量進行分析，發現主要加工缺陷是孔入口處的毛刺現象，入口和出口附近均沒有明顯的撕裂缺陷。

(3)通過探討不同加工參數下孔入口處毛刺根厚度情況，發現其主要受到軸向切削深度的影響，并推導出兩者之間的函數關系式，從而對實際加工有一定的指導作用。

［1］DENKENA B，BOEHNKE D，DEGE J H．Helical milling of CFRP-titanium Layer Compounds［J］．CIRP Journal of manufacturing Science and Technology，2008，1(2):64-69．

［2］HOSOKAWA A，HIROSE N，UEDA T，et al．High-quality Machining of CFRP with High Helix End Mill［J］．CIRP Annals-Manufacturing Technology，2014，63(1):89-92．

［3］秦旭達，陳仕茂，劉偉成，等．螺旋銑孔技術在航空制造裝配業中的發展應用［J］．航空制造技術，2009(6):58-60．

［4］王奔，高航，畢銘智，等．C/E復合材料螺旋銑削制孔方法抑制缺陷產生的機理［J］．機械工程學報，2012，48(15):173-181．

［5］朱春燕，蔣紅宇，張烘洲．飛機裝配銑削制孔和鉆孔技術對比分析［J］．南京航空航天大學學報，2012，44(B04):37-41．

［6］LI Z，LIU Q，MING X，et al．Cutting Force Prediction and Analytical Solution of Regenerative Chatter Stability for Helical Milling Operation［J］．The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2014，73(1-4):433-442．

［7］李云雁，胡傳榮．試驗設計與數據處理［M］．北京:化學工業出版社，2005．

［8］NI W Y．Orbital Drilling of Aerospace Materials，Aerospace Manufacturing an Automated Fastening Conference and Exhibition，2007，01:3814-3822．

［9］張承龍，馮平法，吳志軍，等．旋轉超聲鉆削的切削力數學模型及試驗研究［J］．機械工程學報，2011，47(15):149-155．

［10］LLIESCU D，GEHIN D，GUTIERREZ M E，et al．Modeling and Tool Wear in Drilling of CFRP［J］．International Journal of Machine Tools and Manufacture，2010，50(2):204-213．

［11］張厚江，碳纖維復合材料(CFRP)鉆削加工技術的研究［D］．北京;北京航空航天大學，1998．

［12］陸劍中，孫家寧．金屬切削原理與刀具［M］．北京:機械工業出版社，1998．

［13］PERRSSON E，ERIKSSON I，ZACKRISSON L．Effects of Hole Machining Defects on Strength and Fatigue Life of Composite Laminates［J］．Composites Part A:Applied Science and Manufacturing，1997，28(2):141-151．