大型碳纖維復合材料銑削工藝研究

趙章獻，董洪林

（武漢船用機械有限責任公司，武漢 430085）

0 引言

碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Composite,CFRP）具有獨特的輕質、高強、高硬、耐高溫等特性，在航空航天領域應用廣泛。碳纖維復合材料在航天大尺寸結構中表現出了廣闊的應用前景，也逐步獲得了越來越廣泛的應用。然而，隨著CFRP由次承力結構件轉為主承力結構件，其切削加工問題日益凸顯。復合材料的高效加工一直備受關注，尤其是大型復合材料結構件的加工[1-2]。文獻[3]分析和總結了國內外采用螺旋銑的方法加工碳纖維增強復合材料過程中切削力、加工表面質量、切削刀具等多方面的對零件加工質量的影響。文獻[4]闡述了CFRP切屑形成機制、切削力、切削熱、刀具磨損和加工缺陷研究現狀，總結了鉆削、銑削時的加工參數和刀具參數對切削力、切削熱和刀具磨損的影響，剖析了CFRP加工過程中分層、撕裂和毛刺缺陷產生的原因和影響因素，介紹了刀具材料和結構的研究進展，并綜述了螺旋銑孔、超聲振動輔助加工等CFRP加工的新工藝特點及應用。文獻[5]、[6]研究了工件傾角對CFRP曲面結構可加工性的影響規律，采用金剛石涂層銑刀對不同傾角下CFRP疊層平板結構進行順銑加工試驗，對不同坐標系下的銑削力和加工側面、表面缺陷進行了研究，指出側面表層缺陷與工件傾角存在一定的關系。文獻[7]、[8]進行了CFRP的銑削實驗，對切屑的形成、表面粗糙度和切削力進行了觀察；并對纖維分別由于斷裂和彎曲產生的粉末狀切屑和帶狀切屑進行了分析。文獻[9]、[10]用盤銑刀對CFRP進行了銑削試驗，研究了切削速度、纖維方向等對加工性能的影響，利用2種不同制作方式的PCD刀具加工CFRP，發現切削力與刀具磨損均與纖維方向關系巨大。文獻[11]、[12]介紹了碳纖維加工中出現的分層及解決辦法。

多年來，國內外諸多學者對CFRP的研究為該領域的發展打下堅實的基礎，但大多集中在小尺寸的零件加工，對大型復合材料的加工鮮有報道。針對高強度耐燒蝕大型碳纖維復合材料寬度尺寸難以保證的問題，本文通過對加工設備、刀具、加工方法等方面進行分析，提出了大型復合材料的加工工藝，為其他大型復合材料的加工工藝提供借鑒。

1 待加工的零件特點分析

某零件由T800級碳纖維和玻璃纖維復合材料編制而成，其截面如圖1所示，零件寬度尺寸要求（200±0.06）mm，全長10 m左右。該零件的側面為兩段斜線及圓角組成。重要尺寸（200±0.06）mm是斜線2與底部直線在兩側形成的交點之間的距離。

圖1 零件的截面形狀

零件加工工藝分析：

1）根據加工經驗，較短的零件可以在零件長度的兩端布置壓板，通過壓板將零件壓緊固定。該零件長度較長，若只在長度的兩端進行裝夾，中間必然出現無法壓緊的問題，導致切削過程中零件出現移動。因此，需要在零件寬度兩邊布置壓板。

2）如果直接將零件壓在機床工作臺上，零件的底面將與工作臺面接觸，零件加工后，很難直接測量寬度尺寸200 mm。此外，由于零件的長度較長，直接布置在工作臺上，布置壓板和更換壓板時，操作者長期處于彎腰的工作狀態，勞動強度較大。因此，需要設計專用加工工裝，方便測量尺寸200 mm且高度便于操作者進行工作。

3）首先在零件的一側沿長度方向每隔200 mm布置一個壓板，采用銑刀銑削一側斜面到位；然后，在已加工的一側布置壓板并固定，拆掉另外一側壓板，校正換裝夾位前后零件側面的跳動，要求前后變化不大于0.03 mm。進行另外一側斜面的銑削。由于尺寸（200±0.06）mm是多次裝夾后加工成形，很難保證。

為了保證重要尺寸（200±0.06）mm，本文從加工設備、刀具、加工方法等方面展開了具體的研究。

2 加工設備分析

待加工的零件長度為10 m以上，需要采用行程為10 m以上的數控機床。一般來說，大型銑床有定梁龍門銑床、動梁龍門銑床、落地鏜床等。定梁龍門銑床為工作臺往復移動，橫梁上主軸箱上下左右運動。定梁機床的應用歷史最久，技術最成熟，一般認為適合大型零件的重切削。動梁龍門銑床為工作臺不動，采用線性導軌帶動橫梁上下、左右、前后運動，比較適合大型零件的加工。大型落地鏜床一般為工作臺不動，主軸上下、左右、前后運動。一般來說，大型落地鏜床在機床滑枕和鏜床主軸長時間運行時，會存在溫度升高的現象，導致滑枕和主軸的長度伸長，可能會導致零件過切。

結合定梁、動梁和落地鏜床的優缺點，采用數控定梁龍門銑床XK2425-14000（如圖2）進行加工。該機床為武漢重型機械廠設計，采用龍門框架固定，浮動式油壓工作臺移動結構。其主要技術參數如表1所示。

表1 銑床主要技術參數

圖2 XK2425-14000 數控定梁龍門銑床

零件的寬度為（200±0.06）mm，由于零件側面的寬度精度要求比較高，需要分析機床工作臺的移動精度，采用留余量試切的辦法對機床精度進行了間接測量。采用四刃金剛石立銑刀（直徑D20，刃長≥50）順銑方式精光兩側平面（銑完一側，倒壓板銑另一側），然后使用外徑千分尺，每隔200 mm檢測一處寬度尺寸，驗證機床在正常情況下銑出的11 m 長工件兩側面的平行度。

試切后每隔200 mm測量一個截面的寬度值，測量結果如圖4所示。寬度測量值為230.040～230.085 mm，公差帶為0.045 mm。尺寸的分布基本均勻，局部點出現了畸變，可能是裝夾前后校正誤差處于上差。

圖3 試切示意圖

圖4 零件試切后寬度測量值

試切時，機床Z軸、Y軸處于定軸狀態，X軸處于移動狀態，零件加工后的公差帶為0.045 mm，可以得出機床X軸的精度可控制在0.05 mm以內。在零件加工過程，機床處于2軸聯動的狀態，根據加工經驗，對于高精度尺寸，機床單軸精度在零件加工公差要求的一半時，機床具備加工零件的條件。零件的精度為0.12 mm，分析可知機床加工出的兩側面平行度應不大于0.06 mm才能保證加工要求。通過試切可知機床的精度滿足零件的加工精度。

3 加工刀具分析

碳纖維加工過程中，非常容易出現起毛、分層現象。為了抑制起毛分層現象的產生，加工碳纖維的刀具必須非常鋒利，才能進行有效切斷。CFRP材料導熱性差，大部分切削熱不能跟隨切削液被帶走，從而積聚在刀具上，使刀具的溫度升高。切削液通過材料的間隙滲入材料中，使其產生分層，從而降低使用性能。因此加工CFRP材料的刀具必須具備高硬度、耐磨和耐高溫的特征。

PCD（聚晶金剛石）銑刀片是采用特殊的高溫高壓工藝，在硬質合金基體上粘貼一層緊密的聚晶金剛石層而形成的刀具，具有高硬度、高耐磨、高導熱及低摩擦因數等特點，能進行高精度、高效率、高穩定性和低表面粗糙度加工，可成倍提高加工效率，實現高速、高效切削加工。Precision Dormer公司的相關專家把復合材料加工視為金剛石刀具大幅度提高加工效率的關鍵領域之一。PCD刀片不易沿解理面發生脆性破損，抗磨損能力強，可長時間保持切削刃的鋒利性。綜合PCD刀片的上述優點，選擇PCD刀片作為此次復合材料的切削刀具。

圖5 切削刀具及刀片示意圖

本文選用φ63的面銑刀，刀片選用APKT160408 -PCD，詳細參數如表2所示。

表2 刀片參數表

4 加工方法分析

零件的兩側為曲面，采用數控仿形銑削來實現。曲面的仿形銑削中固定軸銑應用最為廣泛。固定軸銑的特點是刀軸固定，具有多種切削形式和進退刀控制。一般來說，零件兩側的曲面銑削軌跡有如下兩種銑削方案：1）沿曲面輪廓銑削，如圖6（a）所 示；2）沿軸向仿形銑削，如圖6（b）所示。

圖6 曲面銑削軌跡示意圖

采用相同的切削參數，多次試切表明兩種方案優缺點如表3所示。

表3 兩種曲面銑削軌跡方案對比

為了避免因主軸或方枕熱脹后會導致軌跡逐件往Z+方向偏移導致工件超差的風險，曲面銑削時采用的是沿軸向仿形銑削。

因為零件長度較長，機床工作臺的移動距離較大?？紤]機床導軌的制造誤差，工作臺在長距離移動時，會在Y軸方向產生一定誤差。

為方便實時觀察加工過程的異常情況，操作者及時調整刀補。在零件的長度兩端各加工寬10 mm的基準帶，如圖7所示。基準帶包含正基準帶，單邊留余量0.03 mm；負基準帶為理論值偏，為-0.03 mm。在零件加工過程中，如果實際加工區域在正基準帶的外側，說明零件出現了欠切現象。如果實際加工后的區域在負基準帶的下側，說明零件出現了過切現象。欠切與過切兩種情況都需操作者手動調整刀補，使刀軌處于正確的位置。

圖7 基準帶示意圖

5 加工結果

采用前述的加工機床、加工刀具和加工方法，利用UG軟件進行建模、編程。在建模時，按照零件施工圖中的公差進行建模，方便了解加工后的狀態。采用固定軸輪廓銑，曲面驅動的方法，按照最大殘余高度0.006 3 mm進行設置。切削方向沿零件的長度方向。

設置轉速為1000 r/min，進給速度為800 mm/min，采用D63R0.8的PCD刀具進行加工，切削液采水基切削液，添加劑為水溶性，有較好的冷卻性和清洗性，能夠保持工件的清潔，減少黏性物殘留。用加工后零件外觀平整，未出現起毛等異常情況。

采用千分尺測量，其寬度尺寸為200.02～200.07 mm（如圖8），公差帶為0.05 mm，滿足圖樣要求的±0.06 mm，符合加工要求。

圖8 仿形加工后零件尺寸測量圖

6 結語

1）通過試切的方法，分析了大型碳纖維復合材料銑削對機床精度的要求。需要2軸聯動加工曲面的機床，機床單軸的精度應控制在零件尺寸公差帶的1/2以內。

2）綜合機床、刀具和加工工藝的分析與試驗結果，證實采用金剛石刀片和沿軸向仿形銑削的辦法可滿足大型碳纖維復合材料加工的要求。本文所述的加工方法，可為大型碳纖維復合材料的銑削提供參考。