CFRP銑削用雙螺旋銑刀設計研究

王士偉

(中航工業通飛研究院質量安全部，哈爾濱150000)

碳纖維增強樹脂基復合材料CFRP是一種新型結構復合材料，具有比強度大、比模量高、抗疲勞性和耐熱性好等優點，因此被廣泛應用于航空航天、汽車制造及其他領域[1-2]。在碳纖維復合材料切削建模領域中，H.Y.Puw等人通過線性切削實驗，利用解析預測了垂直及平行于纖維方向切削時的切削力，證明該模型的可行性，但未對其他纖維方向的切削力進行預測[3]。Seikh-Ahmad基于切削能量理論分別建立回歸方程和人工神經網絡模型[5]。萬敏研究了在切削鈦合金時刀具底刃的尺寸效應，證明了刀具底刃對銑削的影響是不可忽視的[6-7]。綜上所述，國內外針對切削力的建模研究較多，但大多數學者卻忽視了銑刀本身結構對銑削力的影響，事實上銑刀本身是時刻影響著銑削的。經文獻檢索，未發現有關CFRP銑削雙螺旋銑刀的研究，本文作者結合CFRP復合材料的特點，通過雙螺旋結構設計，從而大大提高了刀具耐用度，而且對所加工工件的表面質量也有顯著提高。

圖1 雙螺旋立銑刀

1 雙螺旋銑刀結構設計分析

結合碳纖維復合材料的結構特點、加工性能以及側銑加工工藝，對CFRP銑削用刀具進行針對性的設計，從而降低加工缺陷、提升加工表面質量以及提高刀具耐用度。

本文設計雙螺旋立銑刀，結構如圖1所示。采用左右螺旋刃切削刃形，兩條切削刃在高速旋轉時能夠達到“上提下壓”的效果，理論上能夠有效降低毛刺、撕裂等缺陷。銑削CFRP常用刀具結構有直刃、螺旋刃銑刀，如圖2所示，本節圍繞雙螺旋銑刀結構特點與幾種常用結構銑刀進行對比進行分析如下:

直刃銑刀在切削CFRP時能夠獲得較好加工質量的被加工件，但由于直刃銑刀螺旋角為零，使得其在切入切出被加工件時，F1直接作用在切削刃上，產生沖擊較大易引起切削進程不穩定。同時，直刃銑刀的刃形不利于切屑的排出，大量切斷的纖維粉末及纖維束停留在切削區域，使得刀具磨損加快進而導致加工表面質量變差。

右旋銑刀在切削過程中，會產生與纖維束堆疊方向相垂直的軸向力F2z，始終指向纖維板的一側引起被加工件表面分層現象，同時表層纖維沒有上層纖維的支撐力作用造成毛刺現象。

雙螺旋銑刀的兩個相對的螺旋刃在高速切削加工時，產生沿纖維板兩側向內擠壓的作用力F3z和F4z，兩者相互抵消減小軸向力，能夠有效防止分層及毛刺現象的產生。

圖2 不同結構銑刀切削特性的對比

2 雙螺旋銑刀三維參數化建模

本文所設計雙螺旋銑刀為等導程銑刀，采用UG軟件構造其CAD模型時，首先確定刀具主要特征的結構參數，基于本章第二節的數學模型確定參數變量值，各數學模型及其變量值需與雙螺旋銑刀的主要特征相對應，進而完成所設計銑刀三維建模。雙螺旋銑刀的主要特征為:周刃左旋螺旋線、周刃右旋螺旋線，其他特征的參數值如前角、后角容屑槽等隨主要特征參數變化，端齒結構參數采用標準結構參數進行設計。如圖3所示。

圖3 三維模型參數化設計原理

2.1 刀具特征變量設定

將雙螺旋銑刀的特征變量對應的數學模型及參數變量值鍵入UG軟件“工具-表達式”，添加刀具結構所需的變量，并設定變量的幾何意義，如圖4所示。

圖4 參數化配置

特征變量包括:刀具截面第一后角ALPHA，前角GAMMA，銑刀長度L，周刃長度L1，刃帶寬度L2，第二后刀面L3，銑刀半徑R0，周刃螺旋角BETA。

2.2 周刃螺旋槽建模

首先建立坐標系，參考雙螺旋銑刀周刃螺旋線數學模型式(2-17)，并將參數方程鍵入UG中生成周刃螺旋線，參數方程為:

左旋螺旋刃線:

(1)

右旋螺旋刃線:

(2)

在UG中建立O-XYZ坐標系，在XOY平面內繪制完成雙螺旋銑刀截面型線草圖。選取截面型線，并設置左、右旋螺旋刃線為引導線，利用“掃掠”命令，生成掃掠片體。最后選擇“剪切體”命令修剪出螺旋槽，并對復制螺旋槽特征，完成周刃螺旋槽繪制。如圖5所示。

圖5周刃螺旋槽的繪制

3 雙螺旋銑刀結構有限元分析

采用ANSYS軟件對雙螺旋立銑刀進行模態分析，并采取力學同等約束條件，對銑刀應力應變進行分析研究，優選雙螺旋銑刀刀體材料。

3.1 基于ANSYS軟件銑刀靜力學分析

將UG繪制后的雙螺旋銑刀導入ANSYS15.0的Workbench平臺進行有限元分析，如圖2—9所示，所創建的銑刀模型，其長度為83mm，直徑為12mm。材料屬性如表1所示。

表1 銑刀的材料屬性

將表1銑刀材料屬性導入軟件中，針對模型進行網格劃分，如圖6所示。

圖6 材料屬性設置

圖7 雙螺旋銑刀網格劃分

為保證求解精度，在劃分刀具網格時，應注意細化切削刃區域網格。遠離切削刃區域網格可以選擇自動劃分，它可有效提高分析計算速度。根據雙螺旋銑刀實際加工過程中夾持方式可知，需對其施加邊界約束條件，其軸向(Z)、切向(X)、徑向(Y)的移動距離為零。同時，刀具加工過程為旋轉過程，轉速恒定，要對其施加固定約束，即為全約束。根據銑刀加工過程中所受的力，設置為施加載荷，平均分配到四個切削刃。待前處理工作完成后，進行應力、應變的求解，如圖8所示。

圖8 模態分析云圖

經過分析發現，立銑刀加工是周刃參與切削的過程，最大應力發生在周刃處，刀柄處的應力幾乎為零。由圖2-11(c)可知，在切削刃與刀柄結合處應變最大，說明同等應力下，此區域更容易發生形變。但即使是最大應變也在變形允許范圍內，因此，本文所設計雙螺旋銑刀滿足對刀具加工強度需求。

2基于ANSYS軟件銑刀模態分析

切削加工過程中，若刀具固有頻率與機床自激振動頻率相近時，易產生共振現象，導致切削穩定性降低，刀具磨損加劇，從而影響加工質量，給生產帶來巨大損失[10]。因此，有必要對所設計的雙螺旋銑刀進行模態分析。高階模態的固有頻率非常小，產生共振的幾率很小，為此只需集中考慮刀具在六種低階模態下的模態振型，如圖9所示。對圖9雙螺旋銑刀的六階固有頻率進行統計分析，如表2。

表2 銑刀各階模態頻率

由圖9可知，雙螺旋立銑刀的一階、二階模態變形較小;三階模態變形由切削刃向刀柄逐漸遞減;四階、五階模態變形較大，在大倍率下觀測，有較明顯的彎曲及扭轉變形;六階模態變形幾乎無變化。

機床的主軸轉速一般低于10 000r/min，因此其振動頻率為:

(3)

通過式(2-21)可知，雙螺旋銑刀的固有頻率遠大于機床的自激振動頻率，且刀具的變形較小，因此，所設計的雙螺旋銑刀可以實現穩定切削加工。

4 結語

本文從CFRP的結構特點及其加工缺陷出發，開展了雙螺旋銑刀設計制造的研究。

(1)針對碳纖維復合材料加工過程易產生中分層、毛刺及撕裂等加工缺陷進行分析研究，提出雙螺旋銑刀的設計理念，利用“上提下壓”結構特點，降低CFRP加工缺陷。

(2)基于UG軟件參數化功能，完成端截面輪廓及其螺旋刃線的數學模型，對雙螺旋銑刀的螺旋槽建模，完成雙螺旋銑刀參數化三維模型的建立，

(3)通過有限元分析檢驗刀具強度及其固有頻率，為雙螺旋銑刀的制造和應用提供技術保證。