銑削參數(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料切口質(zhì)量影響研究

趙天成，龔佑宏，孫亞輝，劉 軍，劉衛(wèi)平

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324）

引言

與傳統(tǒng)金屬材料相比，先進(jìn)復(fù)合材料具備更多顯著的優(yōu)點(diǎn)，如高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、抗疲勞等。因此，全球飛機(jī)制造商為減輕飛機(jī)重量、增加載重、延長(zhǎng)使用壽命，正逐步增加復(fù)合材料的使用量，從而實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。為了滿足航空航天等領(lǐng)域高精裝配要求，碳纖維復(fù)合材料制件需要進(jìn)行機(jī)械加工以獲得良好的加工質(zhì)量。而碳纖維復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱“CFRP”）因其各向異性、層間強(qiáng)度低、硬度高、導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)，在切削過程中易產(chǎn)生基體開裂、分層、纖維拔出等缺陷，屬于典型的難加工材料[2]。

在CFRP 加工切口質(zhì)量的評(píng)定方面，目前主要采用超聲掃描檢測(cè)和粗糙度檢測(cè)的方法。超聲掃描因受制于探頭尺寸，僅能發(fā)現(xiàn)較大尺寸的缺陷，而對(duì)于微觀缺陷卻難以檢測(cè)。在對(duì)復(fù)合材料表面粗糙度評(píng)價(jià)時(shí)，大多情況下依然采用適用于金屬加工缺陷的二維輪廓算術(shù)平均偏差Ra 進(jìn)行評(píng)價(jià)，而由于復(fù)合材料具有不同于金屬材料各向異性的特性，CFRP 的切削方向與纖維方向的夾角是影響其表面粗糙度的主要因素，Ra 不能夠充分體現(xiàn)表面的微觀形貌[3-4]。

在復(fù)合材料加工切口缺陷的定量評(píng)價(jià)方面，由于CFRP 復(fù)合材料特有的層間強(qiáng)度低、各向異性等性能以及加工表面形貌與纖維鋪層方向緊密相關(guān)性，這導(dǎo)致了加工切口的分層損傷，該損傷是影響其切口質(zhì)量的主要因素。因此，國(guó)內(nèi)外的研究主要集中于對(duì)分層損傷的評(píng)價(jià)。現(xiàn)已開展的CFRP 加工表面損傷評(píng)價(jià)研究工作可歸納為以下幾方面：

（1） 分層損傷的評(píng)價(jià)

W. Chen 提出比直徑法分層因子，即分層損傷區(qū)的最大直徑與孔名義直徑的比值[5]。A. Faraz 采用比面積法計(jì)算分層因子，其表達(dá)式為分層損傷的面積與孔面積的比值[6]。J. P. Davim 分析了這兩種分層損傷的極限形式，提出了修正的分層因子，該方法綜合了以上兩種分層損傷評(píng)價(jià)方法，同時(shí)考慮了損傷直徑與損傷面積[7]。

（2） 撕裂、毛刺等損傷的評(píng)價(jià)

撕裂大小一般以其長(zhǎng)度和寬度表示，有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[8]，合格孔的撕裂長(zhǎng)度要求小于或等于孔徑的3 倍，寬度要求不大于1.8 mm。但這只是上世紀(jì)90 年代工藝能達(dá)到的水平，隨著工藝水平的提高，這個(gè)規(guī)定將會(huì)因時(shí)而異。張厚江采用孔出口兩側(cè)撕裂長(zhǎng)度平均值評(píng)價(jià)撕裂參數(shù)[9]。溫泉在對(duì)毛刺長(zhǎng)度與寬度進(jìn)行等級(jí)劃分的前提下，提出了毛刺損傷因子[10]。

（3） 表面粗糙度的評(píng)價(jià)

在對(duì)CFRP 復(fù)合材料表面粗糙度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，趙福令等研究采用表面算術(shù)平均方差Sa 來評(píng)價(jià)C/C 復(fù)合材料銑削表面加工質(zhì)量[11]；馬星輝在對(duì)超聲振動(dòng)銑削C/C 復(fù)合材料表面粗糙度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)還采用表面均方根偏差Sq 作為評(píng)價(jià)參數(shù)[12]。

CFRP 實(shí)際加工過程中產(chǎn)生的損傷具有復(fù)雜多樣的性質(zhì)，往往會(huì)伴隨產(chǎn)生各種損傷，上述方法均僅從單一方面對(duì)加工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了提高CFRP 加工切口表面質(zhì)量的評(píng)定精度，本研究采用三維檢測(cè)評(píng)定方法，對(duì)不同參數(shù)下CFRP 表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，獲得銑削參數(shù)對(duì)CFRP 加工切口表面質(zhì)量影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

將T800 級(jí)多向?qū)雍习遄鳛榧庸ぴ嚇樱亴臃较蝽樞驗(yàn)?[45/90/-45/0]2s。本次試驗(yàn)使用DMU mono Block 五軸高速加工中心加工。加工刀具為OSG DIA BNC 菱齒金剛石涂層銑刀，刀具直徑10 mm。

為比較不同加工參數(shù)下切口形貌的變化，選取不同的進(jìn)給量以及主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工，詳細(xì)加工參數(shù)見表1，以順銑為加工路徑。為避免檢測(cè)的偶然性，每組參數(shù)下加工試樣各6 件。使用Sensofar 3D 光學(xué)輪廓儀對(duì)試樣進(jìn)行三維粗糙度采集。然后通過KSI V400E超聲波掃描顯微鏡檢測(cè)試樣是否存在分層。

表1 加工參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三維表面粗糙度分析

2.1.1 三維表面粗糙度參數(shù)

由于CFRP 材料中纖維具有不同方向，使得基體與纖維的性能存在差異，從而在加工表面呈現(xiàn)出材料去除機(jī)理不一致的特性，直接表現(xiàn)為切削過程中纖維斷裂點(diǎn)發(fā)生偏移。采用三維表面粗糙度參數(shù)Sa，可以更加全面的反映加工樣件的表面質(zhì)量。

在135°方向切削CFRP 時(shí)，材料受到彎曲壓縮的作用，纖維產(chǎn)生了與懸臂梁式相似的彎曲斷裂，刀具刃口之下會(huì)產(chǎn)生破壞點(diǎn)，最終導(dǎo)致大量的凹坑出現(xiàn)在加工表面。這些源于纖維拔出和露頭的表面偏差，其極限值采用三維表面粗糙度參數(shù)Sq 評(píng)定時(shí)就比采用Sa 參數(shù)更合適。所以，在存在較多“凹坑”和“波峰”的表面，相較于Sa 參數(shù)，使用Sq 參數(shù)可更清晰地表示復(fù)合材料銑削表面的形貌特征。若CFRP 加工表面的纖維露頭與拔出出現(xiàn)較為嚴(yán)重時(shí)，也可使用Sz 參數(shù)來觀察其大高峰與大深谷的狀況。

結(jié)合三維粗糙度各參數(shù)的意義以及CFRP 加工表面的特性，本研究選擇Sa、Sq、Sz、Ssk 與Sku 5 個(gè)參數(shù)來綜合表征其三維形貌。

2.1.2 銑削參數(shù)對(duì)三維表面粗糙度影響分析

銑削參數(shù)對(duì)三維粗糙度Sa、Sq、Sz、Ssk 和Sku 的影響規(guī)律分別見圖1、圖2、圖3、圖4 和圖5。

圖1 銑削參數(shù)對(duì)三維粗糙度Sa 的影響規(guī)律

圖2 銑削參數(shù)對(duì)三維粗糙度Sq 的影響規(guī)律

圖3 銑削參數(shù)對(duì)三維粗糙度Sz 的影響規(guī)律

圖4 銑削參數(shù)對(duì)偏斜度Ssk 的影響規(guī)律

圖5 銑削參數(shù)對(duì)陡峭度Sku 的影響規(guī)律

由圖1 可以看出，當(dāng)進(jìn)給量為0.21 mm/r 時(shí)，Sa隨主軸轉(zhuǎn)速增加而呈線性關(guān)系的增大。由圖2 可以看出，進(jìn)給量對(duì)Sq 的影響更加顯著，在進(jìn)給量為0.21 mm/r 時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大Sq 呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。Sz表示的是區(qū)域中最大谷深與最大峰高之和，主要反映的是較為極端的數(shù)值，由圖3 也可以看出，Sz 總體上隨著轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的增大而增大。

由圖4 可以看出，偏斜度Ssk 在不同的銑削參數(shù)下始終處于正值，隨著進(jìn)給量以及轉(zhuǎn)速的增大，偏斜度Ssk逐漸趨近于0，這表明加工表面的高度分布逐漸趨近對(duì)稱于平均值。這是由于經(jīng)切削后材料的表面尖峰增加，Ssk 大于0，隨著進(jìn)給速度增加，45°方向纖維表面的“凹坑”加深變多，使得波谷的占比增多，Ssk 減小。

由圖5 可以看出，陡峭度Sku 和偏斜度Ssk 相近，隨著轉(zhuǎn)速增加與進(jìn)給量的增大而減小，加工表面的高度分布由高陡逐漸變得扁寬，幅度分布逐漸平緩。使用Sensofar 3D 光學(xué)輪廓儀獲取銑削加工試樣表面狀貌可以看出，45°方向鋪層的銑削表面有很多“凹坑”，并且其他鋪層方向也有較多的纖維露頭、樹脂涂覆的現(xiàn)象，且銑削試樣表面的高度差較大。

2.2 分層缺陷分析

針對(duì)CFRP 加工中會(huì)產(chǎn)生的分層缺陷，利用KSI V400E 超聲波掃描顯微鏡對(duì)加工試樣進(jìn)行了分層檢測(cè)，在本次試驗(yàn)加工所用刀具及各種銑削加工參數(shù)下，試樣均未產(chǎn)生分層。

2.3 纖維崩缺分析

CFRP 在加工過程中會(huì)產(chǎn)生纖維崩缺，試樣表面會(huì)出現(xiàn)較深的凹坑，我們以采樣表面的最大谷深值Sv 來表征崩缺的程度，見圖6。

圖6 加工參數(shù)對(duì)最大谷深Sv 的影響規(guī)律

由圖6 可知，最大谷深在高轉(zhuǎn)速和大進(jìn)給量的條件下增幅顯著，在進(jìn)給量較小時(shí)，Sv 隨著進(jìn)給量的增大先增大后減小。低轉(zhuǎn)速對(duì)Sv 的影響效果不顯著。

2.4 撕裂缺陷分析

CFRP 加工過程中產(chǎn)生了較多的撕裂缺陷，本研究以撕裂的寬度和長(zhǎng)度來表征該缺陷。試驗(yàn)得出撕裂寬度與長(zhǎng)度隨進(jìn)給量與主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律并不明顯，但在轉(zhuǎn)速11 000 rpm，進(jìn)給量0.21 mm/r 時(shí)，撕裂長(zhǎng)度達(dá)到了1.36 mm，寬度為0.63 mm，這與進(jìn)給速度太快，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降有關(guān)。

3 結(jié)論

本研究通過銑削方式加工CFRP，檢測(cè)了不同銑削加工參數(shù)下CFRP 的切口質(zhì)量，從三維粗糙度、分層、纖維崩缺和撕裂等方面進(jìn)行了分析和評(píng)定，獲得結(jié)論如下：

（1） Sa、Sq 和Sz 隨轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量增大而增大。

（2） Sku、Ssk 隨著進(jìn)給量與轉(zhuǎn)速的增大而逐漸減小。

（3） 在進(jìn)給量較小時(shí)（≤0.15 mm/r），Sv 隨著進(jìn)給量的增大先增大后減小，轉(zhuǎn)速對(duì)Sv 的影響效果不顯著。

（4） 撕裂寬度與長(zhǎng)度隨進(jìn)給量與主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律并不明顯，但是在高轉(zhuǎn)速高進(jìn)給下，容易產(chǎn)生撕裂。