CFRP定心內齒槽的加工

蘇 飛 袁軍堂 汪振華 鄧朝暉

(1 湖南科技大學，機電工程學院難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湘潭 411201) (2 南京理工大學，機械工程學院，南京 210094)

CFRP定心內齒槽的加工

蘇 飛1袁軍堂2汪振華2鄧朝暉1

(1 湖南科技大學，機電工程學院難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湘潭 411201) (2 南京理工大學，機械工程學院，南京 210094)

文 摘 以CFRP復合構件為研究對象，采用橫刃減小的成形刀片對復合構件孔內定心齒槽進行加工試驗，分析刀片橫刃大小與走刀路徑對切削力的影響規律。結果表明：刀片橫刃的減小有利于切削力的降低，但橫刃減小到0.5 mm時，切削力減小的趨勢變緩；采用橫刃為0.5 mm的刀片沿著齒槽輪廓一次進給完成齒槽加工的走刀方式，其單齒加工時間較短、切削力較小、加工質量較好，該種齒槽加工方案較為合理。

平紋CFRP，齒槽，PCD刀片，復合構件，成形刀具

0 引言

CFRP具有比強度高、比模量大等優異性能，在航空航天、國防行業具有廣泛的應用前景[1-2]。由于復合材料成型工藝技術的制約，在復合構件制作中難以預留各種孔、槽等。為了滿足復合構件的裝配要求，往往需要進行二次加工。碳纖維增強復合材料屬于典型的難加工材料，加工中易出現難以預料的各種加工問題，如各種加工缺陷、加工環境極具惡劣性等[3-4]。

國內外學者在碳纖維增強復合材料鉆、銑削加工方面的研究較多。YIGIT KARPAT等[5]使用兩種不同的刀具對單向CFRP材料進行銑削，研究了不同纖維取向下的切削力和加工質量；LIU Jie等[6-7]采用立銑刀通過螺旋銑孔的方法進行制孔，深入分析了螺旋銑孔的切削力和加工質量等；鮑永杰等[8-9]通過CFRP的鉆削加工，分析了鉆孔缺陷產生的過程；蘇飛等[10]提出采用T型銑刀進行切制齒槽的試驗研究，分析了齒槽最外層表面加工缺陷的形成機制。

然而，在某些CFRP零部件加工中，普通的鉆削和銑削加工存在一定局限性，如在復合構件的孔內切制大量的細小齒槽，則需要更具針對性的加工工藝方法。目前，關于孔內齒槽加工方面的研究極為少見。

此外，在孔內齒槽加工過程中，采用尖齒刀片沿著齒槽外形輪廓一層層的去除材料，其加工效率低下，而且刀尖部位的強度較難保證。而采用完全成形的刀具通過一次性切入工件完成齒槽加工，其走刀路徑簡單，但切削振動劇烈，切削力過大，易導致刀片的破損，反而降低加工效率。因此，為了兼顧切削力的降低，以及加工效率和刀尖部位強度的提高，可以將橫刃適當減小。

本文以碳纖維增強復合材料復合構件為研究對象，通過改變刀片橫刃大小和走刀路徑展開復合構件定心內齒槽的加工試驗，重點分析橫刃大小和走刀路徑對切削力的影響規律，進而尋求高效、高質量的CFRP復合構件定心齒槽的加工技術。

1 試驗

1.1 試驗條件

試驗構件是由3瓣120°扇形瓣狀的平紋編織碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)構件組合而成，需要切制的齒槽形狀和尺寸如圖1所示。

圖1 某制件半成品的孔內定心齒槽

在定心內齒槽的加工前應對3瓣構件的扇形進行修正，并精加工扇形側面，保證扇形側面貼合緊密。試驗構件尺寸為外徑120 mm，內徑23 mm，長230 mm。由于復合構件的內孔通常屬于深長孔，在孔內齒槽的加工過程中刀桿懸伸的長徑比往往超過10，切削過程中刀具的振動極為嚴重，導致刀具極易破損。在復合構件的實際加工中，為了保證孔內齒槽的加工精度，常在孔完成后直接進行齒槽加工?？紤]到加工方法的實用性、經濟性和易操作性，提出采用鏜削的加工方法對孔內齒槽進行加工。

試驗在CK6140數控車床上進行，試驗過程中采用大功率吸塵器排屑和促使切削熱散發。測力系統包括Kistler公司提供的9119AA2測力儀、5697A數據采集器、5080多通道電荷放大器以及PC等。為了提高鏜桿的靜剛度，降低切削振動，選用硬質合金材料制作鏜桿，刀桿總長260 mm，鏜桿直徑為16 mm。試驗采用釬焊PCD刀片，刀片與刀桿之間通過螺釘連接。試驗裝置和測力系統如圖2所示，圖中，Fx為進給切削力，Fy為主切削力，Fz為背向切削力。

(a) 試驗裝置

(b) 測力系統

1.2 試驗方案

為分析刀片橫刃大小和走刀路徑對切削力的影響規律，整個過程進行了兩組試驗，試驗中，切削速度vc均為16.7 m/min，進給量f均在2～5 μm/r，徑向切深均為1.5 mm。

(1)第一組試驗

第一組試驗使用兩種刀片，所使用的刀片如圖3(a)所示。P1刀片的橫刃為1 mm，P2刀片的橫刃為0.5 mm。采用P1和P2刀片進行加工的走刀路徑如圖3 (b)所示。刀齒走刀路徑分切入階段和軸向進給階段。在切入階段，刀片一次性切入工件1.5 mm，在軸向進給階段，P1刀片軸向進給1.85 mm，P2刀片軸向進給2.35 mm。

圖3 刀片結構與走刀方法

(2)第二組試驗

采用橫刃減小的刀片進行齒槽加工，其走刀方式較多，不同走刀方式下的加工效率、加工質量和切削力均存在一定差異。分別采用橫刃減小的P1和P2刀片通過多種走刀路徑進行齒槽加工試驗。

采用P1刀片的走刀路徑分別有：路徑A—沿著齒槽輪廓進行3次插齒，如圖4(a)所示；路徑B—將齒槽槽深分4等份，沿著齒槽輪廓分4次進給完成齒槽加工，如圖4(b)所示；路徑C—將齒槽槽深分2等份，沿著齒槽輪廓分2次進給完成齒槽加工，如圖4(c)所示；路徑D—沿著齒槽輪廓1次進給完成齒槽加工，如圖3(b)所示。

P2刀片的走刀路徑分別有：路徑E—將齒槽槽深分2等份，沿著齒槽輪廓分2次進給完成齒槽加工，與路徑C相同；路徑F—沿著齒槽輪廓1次進給完成齒槽加工，與路徑D相同。

采用P1和P2刀片進行齒槽加工，發現切入階段和軸向進給階段的各切削分力存在明顯差異，如圖4(d)中主切削力的測試曲線所示。切入階段的切削分力明顯高于軸向進給階段的切削分力，由于進給量f在2～5 μm/r，f取值非常相近，在不同的進給量下，各向切削分力和合力相差較小。因此，為了便于比較，以這兩個階段各向切削力最大值的均值來衡量切削力的大小。此外，路徑A的走刀方式與其它5種走刀方式完全不同，且路徑A的第1、2和3次走刀的切削力大小基本相同。為了便于比較，只將路徑A的第1次走刀的切削力與其他5種路徑中單次走刀的切削力進行對比。

圖4 走刀路徑和切削力曲線

圖4中，Sp1、Sp2、Sp3和Sp4分別為路徑B第1、2、3和4次走刀切出側的切削層橫截面；Sd1和Sd2分別為路徑C切出側的切削層橫截面。

試驗通過三向分力計算了切削力的合力F合，通過切削合力的大小可以判斷刀具所承受總載荷的大小，合力的計算公式如式(1)所示。

(1)

2 結果與分析

2.1 刀片橫刃對切削力的影響規律

分別采用橫刃減小的P1和P2刀片進行齒槽加工試驗，試驗結果如圖5所示。由圖5(a)和(b)可知：(1)在切入階段，橫刃和第Ⅰ、Ⅱ側刃均參與切削，而在軸向進給階段只有橫刃和第Ⅰ側刃參與切削，刀具與工件的接觸面積明顯減小，因此，軸向進給階段的切削力明顯低于切入階段的切削力；(2)除軸向進給階段P1刀片的主切削力比P2刀片的主切削力略小6.4N外，切入階段和軸向進給階段P1刀片的軸向力、背向進給力和合力均高于P2刀片的。其中，切入階段P1刀片的軸向力、主切削力、背向進給力和合力比P2刀片的相應切削力分別高出62.6、14.4、28.9和41.6N。軸向進給階段P1刀片的軸向力、背向進給力和合力比P2刀片的相應切削力分別高出33.9、16和6.9N。

綜上可見，P1刀片的橫刃是P2刀片的2倍，P2刀片各階段相應分力和合力比P1刀片的有所降低，但降低幅度較小。因此，刀片橫刃的減小有利于切削力的降低，但當橫刃減小到一定時，切削力不會因為橫刃的成倍減小而明顯降低。

圖5 P1和P2刀片切削分力和合力

2.2 走刀路徑對切削力的影響規律

采用橫刃減小的P1和P2刀片按一定走刀路徑進行齒槽加工，在避免切削力過大的前提下，適當的提高了加工效率，是齒槽加工切實可行的方法。試驗結果見圖6(a)～(d)。

由圖6(a)～(d)可知：(1)各階段中，路徑A的切削分力和合力均較大，刀具所承受的總載荷高達446N，可見，這種走刀路徑對刀具的受力狀態并沒有明顯改善，而且齒槽內側切削表面上出現明顯刀紋和刀痕，如圖6(e)所示，這些刀紋和刀痕嚴重影響切削表面的粗糙度，因此，從加工質量和切削力來看，采用路徑A的走刀方式進行齒槽加工不可?。?2)采用P1刀片分別通過了1、2和4次走刀進行齒槽加工(即路徑D、路徑C和路徑B)，隨著走刀次數的增多，切削層的橫截面面積有所減小，各階段的切削分力和合力有所降低，從各階段的切削分力和合力來看，路徑B和路徑C的切削力相差不大，而路徑C與路徑D的切削力相差較大，可見分多次走刀能降低切削力，但隨著走刀次數的增多，切削力的降低趨勢會變緩，且單個齒槽加工的時間會增加，對加工效率的提高不利，因此，走刀次數不宜過多；(3)采用P1刀片進行齒槽加工，齒槽內側切削表面出現明顯的刀紋，采用P2刀片進行齒槽加工，齒槽內側切削表面沒有明顯的刀紋，切削表面的粗糙度明顯低于前者，如圖6(e)所示。

(c) 對Fz的影響

(d) 對F合的影響

各走刀路徑下，單個齒槽的走刀時間直接影響各走刀方式的加工效率，因此，對各走刀路徑下單個齒槽的走刀時間進行計算。假設在相同進給量f和切削速度vc下，各走刀方式下單個齒槽的加工時間為：

(2)

式中，T為單個齒槽的加工時間，t為單次走刀時間，N為走刀次數，L1為單次走刀行程，vf為進給速度。計算過程中，由于快速走刀時間較短，因此忽略快速走刀時間。

在切削速度vc=16.7 m/min下，刀片向孔內側的切深約1.5 mm，按最大的進給量f(即f=5 μm/r)進行計算，路徑A、B、C、D、E和F的單個齒槽走刀時間分別為：3.9、7.7、4.5、2.9、5.4和3.3 min。

由此可見：(1)走刀路徑A單個齒槽的走刀時間并沒有減少，因此，再一次驗證了路徑A走刀方式的不可行性；(2)路徑B單個齒槽的走刀時間明顯較高，加工效率低下，因此，路徑B的走刀方式也不可取；(3)路徑C和路徑E單個齒槽的走刀時間接近，且切削力相對較小，齒槽內側切削表面粗糙度較低，特別是路徑E，因此，路徑C和路徑E具有一定的可行性；(4)路徑D單個齒槽的走刀時間最小，加工效率有一定優勢，但切削力較大，且切削表面存在較明顯的刀紋，因此，綜合考慮加工效率、切削力和切削表面質量，路徑D并不理想；(5)路徑F單個齒槽的走刀時間較小，加工效率具有一定優勢，切削力較低，齒槽內側切削表面較為光潔，切削表面的加工質量較好，由此可見，路徑F在加工效率、切削力和切削表面質量上都具有一定優勢。

綜上可見，基于對加工效率、切削力和切削表面加工質量的綜合考慮，采用橫刃為1 mm的P1刀片通過路徑C走刀進行齒槽加工，以及采用橫刃為0.5 mm的P2刀片通過路徑E或路徑F走刀進行齒槽加工均具有可行性，其中，采用橫刃為0.5 mm的P2刀片通過路徑F走刀進行齒槽加工較為合理，走刀路徑也較為簡單。

3 結論

(1)齒槽刀片橫刃的減小有利于切削力的降低，當橫刃減小到0.5 mm時，切削力不會因為橫刃的成倍減小而呈明顯降低；

(2)采用橫刃為0.5 mm的齒槽刀片沿著齒槽輪廓1次進給完成齒槽加工的走刀方式，其單齒加工時間較短、切削力較小、加工質量較好，該種齒槽加工方案較為合理，其走刀路徑也較為簡單。

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Processing of Centring-Slots of CFRP

SU Fei1YUAN Juntang2WANG Zhenhua2DENG Zhaohui1

(1 School of Mechanical and Electrical Engineering Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult-to-Cut Material, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201)(2 School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094)

The carbon fiber-reinforced plastics composite components were taken as research object, the experiments of the centring-slots in a hole were carried out by the forming cutters with reduced chisel edge.The effects of the chisel edge size and of the moving route of the cutter on the cutting forces were investigated.The results show that when the chisel edge of the cutters reduces, the cutting forces tends to decrease,but the trend of the degression of the cutting forces become slow when the chisel edge is reduced to 0.5 mm.The processing scheme is of short single tooth processing time,low cutting forces, and excellent processing quality,which is one time feeding to finish a slot using the forming cutters with 0.5 mm chisel edge. It is a reasonable processing scheme.

Plain-woven CFRP，Slots，PCD cutter，Residual factor，Composite cmponent，Forming cutters

2016-08-01；

2017-03-06

“十二五”國防預研課題(62201060402)

蘇飛，1984年出生，博士，研究方向：先進制造工藝與裝備。E-mail:sfeihe@163.com

袁軍堂，教授，博士生導師，研究方向：先進制造工藝與裝備。E-mail：mcl06@mail.njust.edu.cn

TQ327

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.03.021