劉浩文，程 寓，蘇 飛

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

PCD成型銑刀銑削CFRP的試驗(yàn)研究

劉浩文，程 寓，蘇 飛

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)為難加工材料。通過(guò)改變加工工藝參數(shù)，使用PCD成型銑刀，研究碳纖維復(fù)合材料成型槽銑削時(shí)銑削力隨銑削速度和進(jìn)給速度的變化關(guān)系，并分析銑削出口表面的加工缺陷及其與銑削速度的變化關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，銑削力隨銑削速度的升高而降低，隨進(jìn)給量的增大而減?。汇娤鞒隹诒砻嬷饕毕轂樗毫?、毛刺和材料未切除等；其中低切削速度時(shí)主要缺陷為大面積撕裂，中等切削速度時(shí)主要缺陷為小面積撕裂及毛刺，高切削速度時(shí)為材料未切除。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；銑削力；表面缺陷；PCD刀具

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)具有良好的力學(xué)性能、耐熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性、電熱傳導(dǎo)性且密度低、耐摩擦、耐腐蝕，被廣泛應(yīng)用于建筑、交通、化工，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著重要的地位[1-2]。CFRP具有硬度高、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性差、各向異性等特點(diǎn)，屬于難加工材料，因此碳纖維復(fù)合材料的加工引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[3]。

國(guó)內(nèi)，陳孝光使用PCD圓柱銑刀銑削CFRP材料得到不同刀具角度、切削參數(shù)與切削力、表面缺陷的關(guān)系[4]；邢光等建立正交試驗(yàn)使用金剛石刀具高速銑削CFRP材料，得出在高速切削條件下，宜采用小進(jìn)給量和切深，增加走刀次數(shù)來(lái)減少切削力的結(jié)論[5]；王巍通過(guò)自主研發(fā)釬焊金剛石套料鉆和釬焊金剛石磨邊刀具使碳纖維復(fù)合材料的鉆孔質(zhì)量和切邊加工質(zhì)量提高[6]; Yi git Karpat等根據(jù)不同的纖維切削角和纖維方向角建立了切削單向碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)模型，為預(yù)測(cè)CFRP材料的切削力提供參考[7]；Devi Kalla等使用圓柱雙刃銑刀銑削多向鋪層復(fù)合材料建立銑削力預(yù)測(cè)模型[8]；P.S.Sreejith等使用PCD刀具車(chē)削復(fù)合材料得到加工溫度、加工質(zhì)量、切削力和工藝參數(shù)的關(guān)系[9]。

大量碳纖維復(fù)合材料扇形棒料結(jié)構(gòu)件需要在內(nèi)孔壁切削齒槽，如圖1所示，而加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)切削力過(guò)大、刀具磨損過(guò)快和加工出口表面質(zhì)量差等問(wèn)題。本文通過(guò)PCD成型銑刀對(duì)稱(chēng)銑削扇形棒料內(nèi)圓弧表面的齒槽來(lái)分析切削力與工藝參數(shù)的關(guān)系，出口表面質(zhì)量與工藝參數(shù)的關(guān)系及刀具磨損，為后續(xù)研究提供參考。

1 銑削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)材料為環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，平紋交織鋪層結(jié)構(gòu)，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為60%，形狀如圖1所示。

圖1 120°扇形棒料

試驗(yàn)機(jī)床采用KVC1050立式加工中心，銑削力測(cè)定系統(tǒng)包括YDX-III9702壓電式傳感器、YE5850電荷放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)組成，試驗(yàn)設(shè)備如圖2；使用體視顯微鏡觀察銑削出口表面質(zhì)量。

圖2 銑削試驗(yàn)設(shè)備

圖3 刀具結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)采用某國(guó)產(chǎn)刀具廠訂制的PCD成型銑刀，刀具前角0°，后角11°，大徑24mm，小徑20mm，刀柄直徑為18mm，如圖3所示。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)采用全因素試驗(yàn)，分析不同銑削速度Vc與不同進(jìn)給速度f(wàn)z對(duì)銑削力的影響。固定切削深度為2mm，每塊棒料銑削5個(gè)成型槽，槽間距3.5mm。

表1 銑削試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

銑削加工過(guò)程如圖4所示，設(shè)定銑削力沿進(jìn)給方向?yàn)镕x，垂直于進(jìn)給方為Fy。

圖4 銑削加工簡(jiǎn)圖

2.1 銑削參數(shù)與銑削力的關(guān)系

觀察圖5、圖6銑刀每齒進(jìn)給量fz與切削力Fx、Fy之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)切削力隨著fz的增大而升高。主要是由于進(jìn)給速度的升高會(huì)使單位時(shí)間內(nèi)切削量增大、每齒最大切削厚度增加，加大前刀面與切屑、后刀面與已加工表面的摩擦面積，銑削過(guò)程中阻力升高，最終導(dǎo)致銑削力增大。而對(duì)于切削力Fx而言，當(dāng)Vc=395m/min時(shí)，曲線趨勢(shì)比較陡峭，F(xiàn)x的增量值為32N，由此可得出進(jìn)給量的變化對(duì)高切削速度的影響較大；而對(duì)于切削力Fy，進(jìn)給量對(duì)低切削速度的影響較大。

圖5 Fx隨fz的變化關(guān)系

圖6 Fy隨fz的變化關(guān)系

觀察圖7、圖8切削速度與切削力的關(guān)系發(fā)現(xiàn)兩個(gè)方向的切削力都隨著Vc的升高而降低。切削速度的增高使摩擦系數(shù)減小，剪切角增大，變形系數(shù)減小，為此切削力減?。涣硪环矫?，切削速度增高導(dǎo)致切削溫度也隨之升高，使樹(shù)脂基體軟化使切削過(guò)程中切削力減小。對(duì)于切削速度的變化，F(xiàn)x受力在進(jìn)給速度較低時(shí)變化明顯，而Fy在進(jìn)給速度較高時(shí)變化明顯。

圖7 Fx隨Vc的變化關(guān)系

圖8 Fy隨Vc的變化關(guān)系

2.2 成型槽出口表面缺陷

觀察發(fā)現(xiàn)出口表面根據(jù)切削速度的變化分別出現(xiàn)大面積撕裂、毛刺及撕裂、材料未切除等缺陷。

2.2.1 撕裂

觀察圖9可發(fā)現(xiàn)主要缺陷為大面積撕裂，且同時(shí)在主切削刃切出處A和第一副切削刃切出處B存在撕裂缺陷。

A點(diǎn)的缺陷主要是由于齒槽間的間隔較小，只有3.5mm，工件側(cè)面表層的鋪層結(jié)構(gòu)遭到破壞，一旦切削力過(guò)大，很容易將工件側(cè)面齒槽間3.5mm的材料表層全部掀起，造成大面積撕裂；B點(diǎn)缺陷的主要原因是當(dāng)?shù)毒咔邢髦翀D10刀具切出點(diǎn)時(shí)，前刀面推擠橫向纖維，對(duì)橫向纖維產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，此時(shí)縱向纖維對(duì)橫向纖維的束縛力不足以抵抗前刀面推擠橫向纖維所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致橫向纖維實(shí)際斷裂點(diǎn)在刀具切出點(diǎn)后，造成撕裂。

圖9 大面積撕裂缺陷

圖10 B點(diǎn)撕裂原理簡(jiǎn)圖

2.2.2 毛刺與材料未切除

觀察發(fā)現(xiàn)切削過(guò)程中，容易在出口表面主切削刃切出處和第一副切削刃切出處出現(xiàn)毛刺缺陷，如圖11a、11b。

圖11 毛刺與材料未切除

不同于碳纖維復(fù)合材料的鉆削過(guò)程中副切削刃持續(xù)切削孔出口的側(cè)面，成型銑削時(shí)，當(dāng)切削深度達(dá)到規(guī)定要求時(shí)即退刀，不會(huì)存在持續(xù)切削的過(guò)程。最外出表層是自由表層，對(duì)于纖維的束縛作用已經(jīng)很小，當(dāng)?shù)毒咔谐鰰r(shí)，容易出現(xiàn)個(gè)別纖維束及部分材料無(wú)法切除干凈的情況，造成毛刺及材料未切除等缺陷。

圖12 撕裂與材料未切除

觀察圖12發(fā)現(xiàn)材料未切除的情況會(huì)同時(shí)伴隨表層分層的現(xiàn)象，此時(shí)材料實(shí)際破壞點(diǎn)在刀具切出點(diǎn)后方，未切除部分與工件結(jié)合處強(qiáng)度十分薄弱，可以用手剝離未切除部分，剝離后即出現(xiàn)撕裂缺陷。

2.3 出口處缺陷與工藝參數(shù)的關(guān)系

針對(duì)不同的切削速度，出口的主要缺陷不同。觀察圖13a、b、c發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Vc=195m/min時(shí)，出口缺陷主要是大面積撕裂，因?yàn)榍邢髁^(guò)大，導(dǎo)致表層橫、縱向纖維的彼此束縛力不夠及槽間材料表層被剝離造成撕裂缺陷；當(dāng)Vc=245-345m/min時(shí)，出口表面主要缺陷為小面積撕裂和部分毛刺出現(xiàn)，此時(shí)切削力適中，可以將材料盡可能的切除而不破壞其側(cè)面表層結(jié)構(gòu)；當(dāng)Vc=395m/min時(shí)，由于切削速度過(guò)大，主軸鉆速過(guò)高，導(dǎo)致進(jìn)給速度Vf過(guò)大，刀具切入和切出工件過(guò)快，無(wú)法達(dá)到將材料完全切除的時(shí)間，導(dǎo)致材料出現(xiàn)未切除和切削力小等原因。

圖13 不同切削速度下的缺陷形式

2.4 PCD刀具的磨損

PCD刀具對(duì)于切削碳纖維復(fù)合材料存在摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱性好和刃口可以磨的很鋒利等優(yōu)勢(shì)。而PCD刀具的耐磨性更能體現(xiàn)其在加工纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)越性。

圖14a、14b為主切削刃后刀面初始拍攝纖維照片和切削25個(gè)成型槽后拍攝的照片，發(fā)現(xiàn)刀刃處的圓弧稍有磨鈍，后刀面的磨損不明顯。

圖14 主切削刃后刀面

圖15a、15b為刀具主切削刃與第一副切削刃連接處初始照片和切削10個(gè)成型槽后所拍攝的照片，發(fā)現(xiàn)前刀面出現(xiàn)崩刃。雖然PCD刀具的耐磨性優(yōu)良，但是其抗沖擊性和斷裂韌性過(guò)低，在斷續(xù)切削過(guò)程中沖擊力過(guò)大，導(dǎo)致其受力集中點(diǎn)產(chǎn)生崩刃。為此，結(jié)合銑削力及出口表面質(zhì)量的變化規(guī)律可發(fā)現(xiàn)對(duì)于PCD銑刀銑削CFRP材料時(shí)，宜選用進(jìn)給速度f(wàn)z=0.0113mm/z和切削速度Vc=295m/min，既可以保護(hù)刀具，又可改善出口表面質(zhì)量。

圖15 主切削刃前刀面邊緣

3 結(jié)論

(1)PCD成型銑刀銑削對(duì)稱(chēng)銑削120°扇形棒料內(nèi)圓弧表面時(shí)，銑削力隨進(jìn)給速度的升高而增大，隨銑削速度的增大而減小。

(2)銑削加工出口處表面缺陷有撕裂、毛刺和材料未切斷。當(dāng)Vc=195m/min時(shí)，出口缺陷主要是大面積撕裂；當(dāng)Vc為245m/min到345m/min時(shí)，出口表面主要缺陷為小面積撕裂和部分毛刺；當(dāng)Vc=395m/min時(shí)，導(dǎo)致材料出現(xiàn)未切除。

(3)PCD刀具在銑削碳纖維復(fù)合材料時(shí)體現(xiàn)出良好的耐磨性，但是對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)刀具的應(yīng)力集中點(diǎn)仍然容易出現(xiàn)崩刃等破損。

[1] 上官倩芡，蔡泖華. 碳纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2008，37(3)：275-279.

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(編輯 李秀敏)

The Research on Milling Forming Slot of CFRP

LIU Hao-wen, CHENG Yu, SU Fei

(School of Mechanical Engineering ,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094，China)

CFRP is a typically hard machining material. This paper mainly focus on discussing the relationship between the cutting force and the cutting parameter, analyzing the exit surface quality regarding the cutting speed by using the forming tool of PCD with the different technological parameters. The results have shown that the cutting force was high with either a low cutting speed or a high feeding speed; the fault of the exit surface was mainly delamination, burr and non-cutting off materials; with a low cutting speed, the mainly flaw of exit surface is large area delamination, with a moderate cutting speed, the mainly flaw of exit surface is small area delamination and with a high cutting speed, the mainly flaw of exit surface is non-cutting off materials.

CFRP; cutting Force,;surface flaw; PCD tools

1001-2265(2014)05-0019-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.005

2013-09-02；

2013-09-21

劉浩文(1987—)，男，回族，遼寧丹東人，南京理工大學(xué)碩士研究生，主要從事復(fù)合材料加工，(E-mail) liu_haowen2013@163.com。

TH547;TG52

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