超聲振動銑削碳纖維復合材料銑削力試驗分析

李 紅， 王大鎮

(1.集美大學誠毅學院 機械工程系， 福建 廈門 361021;2.集美大學 機械學院， 福建 廈門 361021)

0 引 言

碳纖維復合材料因其具有較好的韌性和強度等優點，已經被廣泛應用到機械制造等相關領域。時至今日，國內外諸多專家學者對碳纖維復合材料的切削加工進行了相關研究，并且產出了相關的科研成果。冷小龍等[1]研究了鉆削工藝對復合材料/金屬疊層板孔質量的影響；林有希等[2]對碳纖維增強復合材料正交切削加工性能進行了相關的數值分析；武強等[3]研究了含能材料防護屏在球形彈丸超高速撞擊下的穿孔特性；楊小璠等[4]使用硬質合金刀具對碳纖維復合材料進行了切削加工研究；高石鑫[5]對碳纖維復合材料橋塞的高速切削技術進行了研究；董輝躍等[6]對碳纖維復合材料/鈦合金疊層螺旋銑孔的加工工藝進行了研究；高漢卿[7]對碳纖維增強樹脂基復合材料宏細觀切削過程進行了仿真分析；李志凱[8]對碳纖維增強復合材料進行了切削實驗與仿真研究；葉銜真[9]對碳纖維復合材料制件的切削工藝進行了優化設計；周鵬[10]對碳纖維復合材料工件切削表面粗糙度測量方法進行了研究；牛紅偉等[11]研究了碳纖維增強復合材料與金屬釬焊。雖然諸多專家學者對其進行了大量研究，但是大都集中在工藝方面，對于C/C復合材料的切削加工研究等方面尚未成熟，因此，文中通過實驗和仿真方法對C/C復合材料進行超聲振動銑削加工研究，對其切削加工工藝的優化有較強的指導意義。

1 實驗材料設備及方法

實驗材料選擇C/C復合材料，高速切削實驗在KV1000-V5數控加工中心進行，實驗過程中使用Kl三向測試儀對切削力進行測試，具體的高速切削實驗方案見表1。

表1 切削實驗方案

2 結果及討論

2.1 實驗結果

不同切削速度對C/C復合材料高速切削三向切削力的影響關系如圖1所示。

圖1 三向切削力與切削速度關系

從圖1可以看出，三向切削力與切削速度之間呈現出明顯的負相關，隨著切削速度的逐漸增大，三向切削力呈現出明顯減小的趨勢。其中，背向切削力約為其它兩向切削力的2倍。究其原因在于：隨著切削速度的逐漸增大，切削加工過程中產生的熱量有一定的增加，極大部分熱量被切屑帶走，少量熱量傳遞到刀具，因此切削熱對于刀具磨損的影響較小。相比之下，切削熱對復合材料起到一定的溫度熱軟化效應，因此致使切削力逐漸減小。

三向切削力與切削深度的影響關系如圖2所示。

圖2 三向切削力與切削深度的關系

從圖2可以看出,切削深度與切削力之間呈現出明顯的正相關關系。隨著切削深度的增大，三向切削力呈現出明顯的增大。其中，背向切削力呈現出線性增大的趨勢，主切削力的增大呈現出了區域性。分析原因在于：隨著切削深度的增大，材料的每刀去除率增加，導致切削加工過程中的切削熱增多，變形抗力增大，致使切削力呈現出增大的趨勢。

三向切削力與進給量之間的變化關系如圖3所示。

圖3 三向切削力與進給量的關系

從圖3可以看出,切削力與進給量之間也呈現出明顯的線性關系，隨著進給量的增大，三向切削力也呈現出明顯增大的趨勢。雖然進給量和切削深度在切削過程中的貢獻方式基本一致，但是進給量與切削力的關系同切削深度仍然存在一定的不同，不同的進給量下，三向切削力的區域化不明顯。

2.2 仿真分析

高速切削的幾何模型和網格單元如圖4所示。

圖4 網格單元

其中刀具定義為塑性體，工件的材料屬性定義采用J-C本構方程，網格單元為C3D8單元類型。

切削速度為200 m/min時,不同歷程的高速切削應力云圖如圖5所示。

圖5 有限元分析應力云圖

從圖5可以看出,在切削加工的初始階段，接觸應力的范圍較大，隨著切削進入穩態過程，切削的絕熱剪切區的寬度基本穩定，切屑呈現出鋸齒形切屑。

3 結 語

1)三向切削力與切削速度之間呈現出明顯的負相關，隨著切削速度的逐漸增大，三向切削力呈現出明顯減小的趨勢。切削深度和進給量與切削力之間都呈現出明顯的正相關關系。

2)在切削加工初始階段，接觸應力的范圍較大，隨著切削進入穩態過程，切削的絕熱剪切區的寬度基本穩定，切屑呈現出鋸齒形切屑。

參考文獻：

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