碳纖維增強樹脂基復合材料銑削力試驗研究分析

吳維設 鄧霜 王成洲

摘 要：碳纖維增強樹脂基復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱 CFRP）具有質量輕、強度高、耐高溫、疲勞性能優越等優點，被廣泛應用于航空航天領域。但由于其獨特的物理結構和化學特性，使得其切削過程中加工性能差、刀具磨損嚴重、工藝參數難以控制，在很大程度上制約了CFRP的發展和應用。本文通過實驗，采集加工過程中的切削力并對其進行數據處理，分析出切削參數、刀具對銑削力的影響規律。

關鍵詞：碳纖維增強樹脂基復合材料;銑削力

1 試驗條件

1.1 試驗材料

試件為板狀斜紋織物碳纖維增強樹脂基復合材料（T300/阻燃環氧樹脂）。

1.2 試驗刀具

本實驗選用金剛石涂層多齒刀具、無涂層多齒刀具及金剛石涂層交錯齒刀具三種刀具，刀具直徑均為12mm。

1.3 測力系統

銑削力測試系統包括三向動態壓電式測力儀、電荷放大器和數據采集與處理系統。

2 試驗方案

本文將采用正交試驗設計法，進行不同銑削參數組合下的銑削加工試驗，獲得銑削加工過程中的銑削力。

2.1 銑削力的測試方案

本實驗采用壓電式測力儀對銑削力進行測量，分別將平行及垂直于刀具進給方向的力定義為Fx和Fy。

2.2 銑削力數據采集分析

本文采用三因素三水平正交試驗的方法進行碳纖維增強阻燃環氧樹脂基復合材料的銑削加工試驗，采集加工過程中的銑削力信號。實驗首先采用控制變量法使用金剛石涂層多齒刀具探究銑削速度、進給速度和銑削深度對銑削力的影響規律，各要素實驗參數見下表;隨后分別使用無涂層多齒刀具和金剛石涂層交錯齒刀具在相同的試驗參數下進行了側銑CFRP的試驗，以探究刀具對銑削力的影響規律。三組試驗全部實驗使用無冷卻順銑加工方式，采用統一的軸向切深ap=19mm。

3 試驗結果分析

3.1 切削參數對切削力的影響

根據正交實驗測得的數據進行處理得到側銑CFRP時的銑削力數據，對其進行極差分析。分析極差結果為各個因素對X方向銑削力的影響程度依次為：每齒進給量>徑向切深>切削速度;Y方向銑削力的影響程度依次為：徑向切深>每齒進給量>切削速度。

根據實驗數據，在側銑碳纖維增強復合材料時各工藝參數對切削力的影響趨勢如圖1。可以看出，在所選的參數范圍內，隨著主軸轉速的增加，切削力Fx、Fy基本不變。這是因為切削速度的增加會減少每齒進給量，產生對切削力降低有利的因素;而切削速度增加時單位時間內刀具的切削次數增加，造成切削溫度升高，CFRP材料軟化進而容易形成切屑瘤，導致刀具磨損嚴重切削力增大。隨著每齒進給量的增大，切削力逐漸增大。這是因為每齒進給量的提高會導致刀具切除材料的厚度變大，單位時間切除的材料增多。在增加材料切除率的同時也增加了切削過程中的摩擦，使切削力升高。切削力隨徑向切深的增加也呈現明顯的增大趨勢，對于側銑CFRP來說，徑向切深是影響其加工過程的重要參數，隨著其值增大刀具與工件表面的接觸面積增大，刀刃在材料內部的切削距離增加，摩擦增大進而導致切削力升高。

a）Vc對切削力的影響 （b）FZ對切削力的影響

（c）ae對切削力的影響

3.2 刀具材料及結構對切削力的影響

根據正交試驗結果三種刀具不同銑削參數下銑削力Fx和Fy的對比。如圖2，可以看出側銑加工時，涂層對Fx幾乎沒有影響，但是涂層刀具的Fy大于非涂層刀具，是由于對于新刀具而言，無涂層銑刀的刃口半徑較小，刀具較鋒利，金剛石涂層銑刀刃口半徑大，初始狀態較無涂層刀具鈍，因此切削力增大。交錯齒刀具的Fx小于多齒刀具，但Fy大于多齒刀具，說明交錯齒刀具可以減小進給方向的力，但會造成垂直進給方向上的力的增加，容易引起刀具的彎曲變形進而影響加工質量。三種刀具切削力都隨著每齒進給量以及徑向切深的