申軼斐 楊 濤 劉 暢 劉思南 杜 宇

（1 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

（2 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

文 摘 芳綸纖維復(fù)合材料（AFRP）在銑削過程中會(huì)產(chǎn)生毛邊、起毛、撕裂等缺陷，嚴(yán)重影響材料的裝配使用。為解決上述問題對(duì)刀具結(jié)構(gòu)、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，從銑削力、銑削表面粗糙度以及銑削表面缺陷等方面研究銑削參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料銑削表面質(zhì)量的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)銑削表面粗糙度和銑削力有顯著影響，使用魚鱗銑刀銑削的表面粗糙度比普通四刃立銑刀的表面粗糙度降低28%，并且毛邊寬度較小，銑削表面質(zhì)量最好，更適合于AFRP的銑削加工。

0 引言

芳綸纖維復(fù)合材料（AFRP）由于具有高比強(qiáng)度和比模量及穩(wěn)定的化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天以及軍事領(lǐng)域［1-2］。但是由于AFRP 具有各向異性和不均勻性，導(dǎo)致其成為一種典型的難加工材料［3-4］。對(duì)AFRP 進(jìn)行銑削修邊時(shí)，已加工表面會(huì)產(chǎn)生起毛、撕裂、毛邊等缺陷，嚴(yán)重影響了AFRP的裝配使用。

目前，對(duì)AFRP 的研究主要集中在鉆孔上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從切削機(jī)理、刀具設(shè)計(jì)和工裝等方面對(duì)AFRP孔加工進(jìn)行了深入的研究。鄭雷等［5］對(duì)KFRP 鉆孔時(shí)材料的去除機(jī)理進(jìn)行分析，研制了燒結(jié)金剛石鉆頭和預(yù)壓應(yīng)力工藝裝置，可以有效減小制孔缺陷。高航等［6］對(duì)AFRP 制孔時(shí)毛刺的形成原因進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了金剛石磨粒鉆。劉思南等［7］對(duì)套環(huán)直徑對(duì)制孔缺陷的影響規(guī)律進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明選擇合適的套環(huán)直徑可以有效提高制孔質(zhì)量。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在加工方式和切削參數(shù)等方面對(duì)AFRP 的制孔進(jìn)行了研究，H.Chouhan［8］和B.S.Yilbas 等［9］使用激光加工的方法對(duì)KFRP 進(jìn)行孔加工研究。劉思南等［10］使用螺旋銑削工藝對(duì)KFRP進(jìn)行制孔實(shí)驗(yàn)研究。A.N.Shuaib等［11］通過實(shí)驗(yàn)得出材料的厚度和切削參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響規(guī)律。

對(duì)纖維復(fù)合材料的銑削研究主要集中在碳纖維復(fù)合材料（CFRP）上，楊振朝等［12］通過實(shí)驗(yàn)研究纖維夾角和銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響規(guī)律。秦旭達(dá)等［13］對(duì)CFRP 建立正交切削模型，并且探究了纖維方向?qū)︺娤鞅砻尜|(zhì)量的影響規(guī)律。段春爭(zhēng)等［14］以刀具材料為變量進(jìn)行單因素CFRP 銑削實(shí)驗(yàn)。T.Yashiro 等［15］對(duì)CFRP 銑削溫度進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)得出隨著切削速度的增加，銑削溫度的增加速度逐漸減小，當(dāng)切削溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，即使切削速度繼續(xù)增加，切削溫度不再增大，溫度達(dá)到飽和狀態(tài)。王福吉等［16］提出了銑削CFRP 的二維表層面積損傷面積評(píng)價(jià)方法。國(guó)內(nèi)學(xué)者從刀具結(jié)構(gòu)和冷卻環(huán)境方面對(duì)AFRP 進(jìn)行銑削研究。劉思齊等［17］研究刀具螺旋角對(duì)銑削AFRP表面質(zhì)量和銑削力的影響。王鳳彪等［18］采用液氮冷卻方式對(duì)AFRP 進(jìn)行低溫銑削研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用液氮冷卻加工可以有效提高銑削表面質(zhì)量。王鳳彪等［19］在使用液氮冷卻銑削AFRP的基礎(chǔ)上，對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

對(duì)AFRP 的銑削研究主要集中在低溫銑削上，而在干切削條件下，刀具結(jié)構(gòu)和銑削參數(shù)對(duì)銑削力和加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律并不明晰。因此，研究AFRP 的銑削具有重要意義。本文對(duì)刀具結(jié)構(gòu)、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從銑削力、表面粗糙度以及加工表面主要缺陷形式等方面研究刀具結(jié)構(gòu)和銑削參數(shù)對(duì)銑削表面質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和設(shè)備

采用正交編織芳綸纖維復(fù)合材料板，試件尺寸120 mm×90 mm×4 mm。該AFRP 使用YB-02 型環(huán)氧樹脂，纖維體積分?jǐn)?shù)為62%。AFRP 板鋪15 層，總厚度為4 mm，每層厚度約為0.27 mm。

使用漢川XK714D 型立式數(shù)控銑床。實(shí)驗(yàn)使用9257B 型三向測(cè)力儀、5070A 型電荷放大器和Dyno Ware測(cè)力采集軟件進(jìn)行銑削力的采集。

使用四刃立銑刀、四刃波刃立銑刀和魚鱗銑刀等三種整體硬質(zhì)合金立銑刀，銑刀直徑6 mm，其中四刃立銑刀和四刃波刃立銑刀螺旋角55°，使用PN 涂層。四刃波刃銑刀是在四刃銑刀的基礎(chǔ)上將螺旋前刀面加工成波浪形螺旋面，魚鱗銑刀由許多切削刃單元組成。

使用TIME 3230 粗糙度儀，最高分辨率為0.01μm，最大取樣長(zhǎng)度8 mm，最大測(cè)量范圍800μm。

圖1 銑刀形貌Fig.1 Morphology of the milling tools

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。進(jìn)給方向銑削長(zhǎng)度23 mm，銑削寬度1 mm，軸向切削深度4 mm。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Processing parameters

由于芳綸纖維具有很高的韌性，在銑削過程中上下表面由于沒有支撐力，纖維受力彎曲，導(dǎo)致纖維不能被切斷，形成嚴(yán)重的毛邊缺陷，不利于結(jié)果分析，所以本實(shí)驗(yàn)在下表面墊一塊3 mm 厚的鋁板提供支撐作用。

芳綸纖維具有較強(qiáng)的吸濕性，使用切削液會(huì)影響芳綸纖維的性能，所以使用空氣壓縮冷卻方式進(jìn)行冷卻處理。

銑削示意圖見圖2。使用順銑的加工方式進(jìn)行銑削。

圖2 銑削示意圖Fig.2 Schematic of milling

2 結(jié)果與分析

2.1 銑削力

由于在銑削過程中軸向銑削力較小，遠(yuǎn)小于層合板之間的層間結(jié)合力，不會(huì)導(dǎo)致芳綸纖維復(fù)合材料的分層，所以本實(shí)驗(yàn)主要研究進(jìn)給方向和切深方向的銑削力的變化。

圖3是主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、不同進(jìn)給速度時(shí)使用四刃銑刀的銑削力變化。表2是不同進(jìn)給速度的銑削力值。當(dāng)進(jìn)給速度從0.01 增加為0.02/0.03 mm/r 時(shí)，F(xiàn)x分別增加16.5/60.7 N，F(xiàn)y分別增加9.1/28.6 N。從圖4可以看出銑削力隨進(jìn)給速度的增大而增大。這是由于在相同轉(zhuǎn)速下，隨著每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的增大，銑刀每旋轉(zhuǎn)一周切除的材料體積越大，切削所需的能量越多，克服切削的阻力越大，銑削力增加。

圖3 進(jìn)給速度與銑削力的關(guān)系Fig.3 Effect of feed rate on milling force

表2 不同進(jìn)給速度的銑削力Tab.2 Milling forces with different feed rates

圖4和表3是進(jìn)給速度為0.01 mm/r、使用四刃立銑刀在不同主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，銑削力值和銑削力與主軸轉(zhuǎn)速的折線圖。由圖5可以看出隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，主切削力Fx先增大，后減小。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速從2 000增加到4 000 r/min時(shí)，刀具的切削速度增加，材料的去除率增大，導(dǎo)致主切削力Fx增加。

復(fù)合材料層合板可以認(rèn)為由多個(gè)單層復(fù)合材料板組成。假設(shè)復(fù)合材料層合板中的樹脂基體和纖維之間不存在孔隙，則復(fù)合材料層合板的彈性模量和剛度的公式［20］如下所示:

式中，E1為復(fù)合材料1 方向的彈性模量，E2為復(fù)合材料2方向的彈性模量，Ef為AFRP的彈性模量，Em為樹脂基體的彈性模量，vf為纖維的體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Q為復(fù)合材料的剛度，ν2為縱向泊松比，ν21橫向泊松比。

在上述公式中，隨著溫度的升高Ef和vf幾乎不變，而樹脂的彈性模量Em會(huì)降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速從4 000增加到6 000 r/min 時(shí)，切削溫度增加，樹脂的彈性模量降低，所以復(fù)合材料層合板的彈性模量和剛度降低，導(dǎo)致主切削力Fx減小。由圖5可以看出進(jìn)給方向的銑削力Fy隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而逐漸減小，這是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，刀具的切削速度增加，導(dǎo)致進(jìn)給方向的銑削力Fy逐漸減小。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速與銑削力的關(guān)系Fig.4 Effect of spindle speeds on milling forces

表3 不同轉(zhuǎn)速的銑削力Tab.3 Milling force with different spindle speed

圖5是主軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、進(jìn)給速度為0.01 mm/r 時(shí)，使用不同刀具的銑削力對(duì)比。表4為使用不同刀具結(jié)構(gòu)的銑削力。

圖5 刀具結(jié)構(gòu)與銑削力的關(guān)系Fig.5 Effect of tool structures on milling force

從圖5和表4可以看出魚鱗銑刀的銑削力Fx、Fy最大，四刃波刃銑刀的銑削力Fx、Fy最小。銑削力產(chǎn)生較大差異的原因主要是刀具結(jié)構(gòu)的不同，波刃四刃銑刀是在四刃立銑刀的基礎(chǔ)上將螺旋前刀面加工為波形螺旋面，與后刀面形成波形切削刃，由于波形刃的結(jié)構(gòu)將一條螺旋切削刃分成許多短切削刃，相對(duì)于普通四刃立銑刀，四刃波刃銑刀的切削刃的切削距離變短，導(dǎo)致切削力減小。魚鱗銑刀由于是由許多切削單元組成，形成以銑代磨的效果，所以產(chǎn)生的銑削力較大。

表4 不同刀具結(jié)構(gòu)的銑削力Tab.4 Milling force with different tool structures

2.2 表面粗糙度

圖6是主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min 時(shí)、使用四刃立銑刀以不同進(jìn)給速度銑削AFRP 的表面粗糙度。當(dāng)進(jìn)給速度分別為0.01/0.02/0.03 mm/r 時(shí)，Ra分別為3.8847/4.073/5.381μm。從圖7可以看出隨著進(jìn)給速度的增加Ra也增加。隨著進(jìn)給速度的增加，銑刀每旋轉(zhuǎn)一周沿進(jìn)給方向的切削距離增加，導(dǎo)致部分纖維沒有被及時(shí)切斷，殘留在加工表面，形成毛刺，導(dǎo)致表面質(zhì)量較差。

圖6 進(jìn)給速度與表面粗糙度的關(guān)系Fig.6 Effect of feed rate on surface roughness

圖7為進(jìn)給速度為0.01 mm/r、使用四刃立銑刀銑削AFRP的表面粗糙度。

圖7 主軸轉(zhuǎn)速與表面粗糙度關(guān)系Fig.7 Effect of spindle speeds on surface roughnesses

當(dāng)進(jìn)給速度為0.01 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速分別為2 000/4 000/6 000 r/min 時(shí)，Ra分別為3.8847/4.4213/5.789 μm。從圖7可以看出隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，Ra也在增加，這是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，材料的去除率增加，導(dǎo)致起毛和撕裂缺陷變多，所以Ra較高。

圖8為主軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、進(jìn)給速度為0.01 mm/r 時(shí)，使用三種銑刀銑削芳綸纖維復(fù)合材料的粗糙度。使用四刃立銑刀、魚鱗銑刀和四刃波刃銑刀的Ra分別為4.421 3/3.182 7/3.833 7 μm，最大峰-谷值Rz分別是22.013 7/9.136 3/11.662 μm。對(duì)比四刃銑刀，魚鱗銑刀的Ra值降低1.238 6 μm，約28%，最大峰谷值Rz降低了12.877 4 μm，約58.5%。魚鱗銑刀由許多切削刃單元組成，比四刃銑刀切削刃更多，更鋒利更容易切斷芳綸纖維，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，每旋轉(zhuǎn)一周魚鱗銑刀參與切削的切削刃更多，對(duì)銑削表面的修磨作用比較好，形成了以銑代磨的效果，可以更好的切斷纖維；對(duì)比普通四刃立銑刀，四刃波刃銑刀Ra降低了0.587 6μm，最大峰-谷值Rz降低了10.351 7μm，這是由于四刃波刃銑刀是在普通四刃立銑刀的基礎(chǔ)上經(jīng)過修磨而形成，將一條切削刃分成許多段短切削刃，更有利于切斷纖維，減小了撕裂缺陷，所以波刃銑刀的Ra、Rz值較小。

圖8 刀具結(jié)構(gòu)與表面粗糙度關(guān)系Fig.8 Effect of tool structures on surface roughnesses

2.3 表面缺陷

芳綸纖維復(fù)合材料加工過程中的缺陷形式主要有撕裂、起毛、毛邊等缺陷。撕裂缺陷是由于芳綸纖維復(fù)合材料纖維層的力載荷超過界面結(jié)合力，導(dǎo)致纖維和樹脂基體分離。起毛是由于纖維沒有被有效切斷，纖維從樹脂基體中被拔出，殘留在加工表面的現(xiàn)象。毛邊缺陷是由于復(fù)合材料在加工過程中，上下表面沒有支撐作用，導(dǎo)致纖維層受力彎曲退讓，不能被有效切斷。

圖9為主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min、不同進(jìn)給速度時(shí)使用四刃銑刀加工的銑削表面形貌?？梢钥闯觯瑘D9（b）、（c）圖的銑削表面的毛邊寬度分別為1.25 和1.00 mm，并且有長(zhǎng)纖維和毛絮殘留在已加工表面，在銑削表面有較多的微裂紋產(chǎn)生，而（a）圖的銑削表面的毛邊寬度為0.44 mm，較（b）、（c）圖的毛邊寬度分別小0.81 和0.56 mm，并且毛刺缺陷較少，銑削表面質(zhì)量最好。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速相同時(shí)，進(jìn)給速度增加，毛邊寬度、微裂紋和毛刺缺陷越嚴(yán)重。

圖9 不同進(jìn)給速度銑削表面形貌Fig.9 Surface morphologies with different feed rates

圖10是進(jìn)給速度為0.01 mm/r 時(shí)不同主軸轉(zhuǎn)速的銑削表面形貌?？梢钥闯?，圖10（b）、（c）圖的銑削表面有比較明顯的撕裂缺陷，毛邊寬度分別為1.31和0.59 mm，并且（b）圖有比較嚴(yán)重的微裂紋；（a）圖的銑削表面起毛面積較小、撕裂較少，毛邊寬度為0.44 mm，對(duì)比（b）、（c）圖的毛邊寬度分別小0.87 和0.14 mm，表面質(zhì)量最好。可以看出隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，銑削表面的毛刺和毛絮缺陷在不斷增加，但是毛邊寬度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小。

圖10 不同轉(zhuǎn)速的銑削表面形貌Fig.10 Surface morphologies with different spindle speeds

圖11是主軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、進(jìn)給速度為0.01 mm/r 時(shí)，采用四刃銑刀、四刃波刃銑刀和魚鱗銑刀的銑削表面。

圖11 不同刀具銑削表面形貌Fig.11 Surface morphologies with different tool structures

可以看出:（a）圖加工表面纏繞著大量沒有被有效切斷的長(zhǎng)纖維；銑削表面的毛邊寬度為1.31 mm，并且毛邊和銑削表面之間有非常嚴(yán)重的微裂紋產(chǎn)生；（b）圖的加工表面有少量的微裂紋產(chǎn)生，加工表面殘留有短毛刺缺陷，并且?guī)缀鯖]有毛邊產(chǎn)生，僅有半圓形的未切斷的纖維分布在切削表面邊緣；（c）圖的加工表面殘留有大量的未切斷的短纖維，并且毛邊寬度為0.84 mm。對(duì)比（a）、（b）、（c）圖可以發(fā)現(xiàn)（b）圖（采用魚鱗銑刀）的加工表面微裂紋數(shù)量較少，并且裂紋長(zhǎng)度和毛邊寬度較小。

3 結(jié)論

（1）對(duì)AFRP 進(jìn)行側(cè)銑實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)進(jìn)給速度增加時(shí)，銑刀每旋轉(zhuǎn)一周切除的材料體積增加，導(dǎo)致銑削力和表面粗糙度都隨之增加，當(dāng)進(jìn)給速度為0.01 mm/r 時(shí)銑削力和表面粗糙度最低，銑削表面質(zhì)量最好。

（2）由于芳綸纖維拉伸強(qiáng)度高、韌性好，當(dāng)采用較高的轉(zhuǎn)速銑削時(shí)，大量的纖維難以被切斷，導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速時(shí)，銑削表面質(zhì)量較差。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，銑削表面粗糙度最低，缺陷較少，銑削表面質(zhì)量最好。

（3）四刃波刃銑刀的銑削力最小，銑削表面粗糙度較低，但是銑削表面的峰-谷值較大，且表面粗糙度的波動(dòng)較大，銑削表面質(zhì)量不穩(wěn)定。魚鱗銑刀由許多單元切削刃組成，形成了以銑代磨的切削方式，切削刃對(duì)表面的修磨作用使得表面粗糙度最低，比四刃銑刀的粗糙度降低了28%。綜合考慮銑削表面粗糙度和銑削表面形貌，得出魚鱗銑刀可以抑制毛邊、微裂紋等缺陷，更適合于芳綸纖維復(fù)合材料的銑削加工。