刀具材料對(duì)CFRP齒槽加工質(zhì)量的影響

蘇 飛 袁軍堂 汪振華 鄧朝暉 孫富建

(1 湖南科技大學(xué)智能制造研究院，湘潭 411201) (2 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)具有比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)良特性，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。由于CFRP的層間剪切和橫向抗拉性能低，在機(jī)械加工過(guò)程中，碳纖維復(fù)合材料制品易產(chǎn)生毛刺、撕裂和層間分層等加工缺陷[4-5]。在碳纖維復(fù)合材料銑削加工方面，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者做了較多研究。WOLF GANG等[6-7]研究了單向疊層CFRP不同纖維取向下銑削加工缺陷，獲得了缺陷的發(fā)生區(qū)、擴(kuò)散區(qū)和無(wú)擴(kuò)散區(qū)，并分析了碳布CFRP在緯向纖維取向?yàn)?0°時(shí)的銑削加工缺陷，指出表層材料以單束纖維毛刺、分層的形式出現(xiàn)，而且，毛刺、分層與經(jīng)、緯纖維編織結(jié)構(gòu)及纖維的彎曲角度相關(guān)；JAMAL等[8]采用多齒刃銑刀對(duì)碳布CFRP進(jìn)行銑削試驗(yàn)，結(jié)果表明在高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給和細(xì)小切削厚度下能獲得較好的加工質(zhì)量；KARPAT等[9]使用兩種不同的刀具對(duì)單向碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行銑削試驗(yàn)，研究了不同纖維取向下的切削力及其切削表面加工質(zhì)量；YASHIRO等[10]采用3種測(cè)溫法對(duì)CFRP的銑削溫度進(jìn)行分析，分析了切削溫度對(duì)表面加工質(zhì)量的影響規(guī)律，指出CFRP銑削應(yīng)采用高速切削加工；AKIRA等[11]通過(guò)試驗(yàn)分析了立銑刀螺旋角對(duì)切削表面的影響規(guī)律；周井文等[12]通過(guò)銑削實(shí)驗(yàn)，分析了銑削加工缺陷的形成機(jī)制，指出纖維取向在0°～90°時(shí)出現(xiàn)崩邊，在90°～180°時(shí)出現(xiàn)毛刺。

在碳纖維復(fù)合材料零部件的加工中，某些重要的零部件需要切制大量的細(xì)小齒槽。在齒槽的切制過(guò)程中，同樣存在較多缺陷，如最外層纖維出現(xiàn)大面積未被切除的現(xiàn)象、撕裂和分層缺陷等[13]。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了此類(lèi)零部件的加工質(zhì)量和加工效率。目前，在碳纖維復(fù)合材料(CFRP)零部件上切制齒槽的相關(guān)研究仍鮮有報(bào)道。考慮到齒槽加工的實(shí)用性、易操作性，提出采用T型銑刀進(jìn)行齒槽加工試驗(yàn)，對(duì)CFRP齒槽加工的切削質(zhì)量進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工件材料及刀具

實(shí)驗(yàn)所用的材料為碳布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料(T300/環(huán)氧樹(shù)脂)，其纖維直徑為7～8 μm，纖維體積分?jǐn)?shù)為60%～65%。試件為120°圓弧棒狀工件，外徑D=120 mm，內(nèi)徑d=20 mm，厚度h=10 mm，如圖1所示。

刀具為直柄釬焊硬質(zhì)合金(YG6X)刀片和PCD刀片，簡(jiǎn)稱(chēng)T1和T2銑刀，刀齒的輪廓形狀基本為梯形(刀具前角均為0°，后角均為11°，銑刀最大直徑均為24 mm，刀柄直徑均為180 mm，刀具長(zhǎng)度均為73 mm)，刀具實(shí)物和齒槽尺寸分別如圖2所示。

圖1 工件形狀

Fig.1 The shape of the part

圖2 刀具形狀及齒形

1.2 試驗(yàn)方法

分別采用T1和T2銑刀對(duì)碳布CFRP進(jìn)行齒槽加工試驗(yàn)。以切削速度Vc和每齒進(jìn)給量fz為變量進(jìn)行單因素試驗(yàn)，切削速度Vc在195～345 m/min之間選取，間距為50 m/min；每齒進(jìn)給量fz在0.011 3～0.021 2 mm/tooth之間選取，間距為0.003 3 mm/tooth。試驗(yàn)均在KVC1050M立式加工中心上，采用無(wú)冷卻方式進(jìn)行對(duì)稱(chēng)銑削的齒槽加工試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置實(shí)物和工件裝夾如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置和工件裝夾

1.3 齒槽加工缺陷的評(píng)價(jià)方法

實(shí)踐表明，在齒槽加工中出現(xiàn)分層、撕裂和外層纖維未被切除等缺陷，其中齒槽切出側(cè)最外層表面的撕裂缺陷最嚴(yán)重。因此，以撕裂因子Fsl=Sl來(lái)表征撕裂的情況(Sl為齒槽切出側(cè)最外層表面的撕裂面積，通過(guò)立體顯微鏡和圖片處理軟件測(cè)得)，見(jiàn)圖4。

圖4 齒槽撕裂因子

2 結(jié)果與分析

2.1 刀具材料對(duì)最外層表面加工質(zhì)量的影響

分別采用T1和T2銑刀對(duì)碳布CFRP進(jìn)行齒槽加工試驗(yàn)，并采用撕裂因子Fsl對(duì)齒槽最外層表面的加工質(zhì)量進(jìn)行表征，得到撕裂因子隨每齒進(jìn)給量fz和切削速度vc的變化曲線(xiàn)，如圖5所示。由圖5(a)可知，隨著每齒進(jìn)給量fz的增大，撕裂因子Fsl呈明顯的增大趨勢(shì)。從圖5(b)可見(jiàn)，隨著切削速度vc的增大，撕裂因子Fsl的變化趨勢(shì)并不明顯。此外，從圖5(a)和(b)均可見(jiàn)，T1銑刀的齒槽撕裂因子Fsl要明顯高于T2銑刀的。圖6(a)和(b)分別是采用T1和T2銑刀對(duì)平紋CFRP進(jìn)行齒槽加工，所獲得的齒槽切出側(cè)最外層表面的加工形貌。

(b) Fsl與vc的關(guān)系

圖6 齒槽最外層表面的加工質(zhì)量 (vc=295 m/min)

從圖6可見(jiàn)，T1銑刀齒槽切出側(cè)最外層表面有較大的撕裂缺陷，其毛刺缺陷較小，且隨著每齒進(jìn)給量fz的增大，撕裂區(qū)域明顯增大，與T1銑刀相比，T2銑刀齒槽切出側(cè)最外層表面的撕裂缺陷相對(duì)較小，但殘余纖維較為明顯，同時(shí)，隨著每齒進(jìn)給量fz的增大，撕裂區(qū)域有增大趨勢(shì)，殘余纖維有減少趨勢(shì)。

2.2 刀具材料對(duì)齒槽內(nèi)側(cè)切削表面微觀形貌的影響

圖7為T(mén)1及T2銑刀齒槽內(nèi)側(cè)加工表面的微觀形貌。由圖7(a)、(b)可見(jiàn)，采用T1銑刀銑制齒槽，其槽內(nèi)側(cè)加工表面存在大面積的樹(shù)脂涂覆表面，有較明顯的“凹坑”，且這些“凹坑”基本出現(xiàn)在經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)的界面上，隨著進(jìn)給速度的增大，這種“凹坑”有增大趨勢(shì)。采用T2銑刀銑制齒槽，其槽內(nèi)側(cè)加工表面基本為樹(shù)脂涂覆表面，切削表面較平整，沒(méi)有明顯的“凹坑”，而且隨著進(jìn)給速度的增大，其齒槽內(nèi)側(cè)的切削表面基本維持著這種特征。由此可見(jiàn)，采用T2銑刀銑制齒槽，其加工質(zhì)量較為穩(wěn)定，能獲得較好的切削效果。

圖7 齒槽內(nèi)側(cè)切削表面微觀形貌

3 結(jié)論

(1)隨著每齒進(jìn)給量fz的增大，撕裂因子Fsl呈明顯的增大趨勢(shì)，而隨著切削速度vc的增大，撕裂因子Fsl的變化趨勢(shì)不明顯；

(2)采用YG6X銑刀銑制齒槽，齒槽切出側(cè)最外層表面有較大的撕裂缺陷，而采用PCD銑刀銑制齒槽，齒槽切出側(cè)最外層表面的撕裂缺陷相對(duì)較小；

(3)采用YG6X銑刀銑制的齒槽，其槽內(nèi)側(cè)切削表面存在較明顯的“凹坑”，且隨著進(jìn)給速度的增大，“凹坑”有增大趨勢(shì)。而采用PCD銑刀銑制的齒槽，其內(nèi)側(cè)切削表面基本被樹(shù)脂涂覆，切削表面較平整，沒(méi)有明顯的“凹坑”，且隨著進(jìn)給速度的增大，切削表面質(zhì)量較為穩(wěn)定。

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