碳纖維薄壁圓筒車(chē)削加工工藝研究

趙紅連

（核工業(yè)理化工程研究院，天津300180）

0 引言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有比強(qiáng)度、比剛度高及耐疲勞性能好，可顯著降低工件的重量，隨著材料性能及工藝水平的提高，在航天、航空、軍事等方面的應(yīng)用日益廣泛，其最主要的機(jī)械加工方法為孔的加工，而對(duì)于碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒的外圓車(chē)削加工目前國(guó)內(nèi)外還尚未涉及。

研究的碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒是碳纖維加膠纏繞而成，厚度約為1mm，直徑為150mm，長(zhǎng)為800mm，設(shè)計(jì)要求在外圓局部進(jìn)行減薄加工，為保證高的加工精度要求，工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用數(shù)控車(chē)削的加工方法達(dá)到成型技術(shù)要求。薄壁碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性在車(chē)削加工中存在的不足及加工中易出現(xiàn)的問(wèn)題如下：碳纖維加膠纏繞而成的工件材料層間強(qiáng)度低、各向異性、硬度高、脆性大，加工中易出現(xiàn)分層、起毛和拉絲等缺陷；工件筒體壁薄、自身剛度低、定位裝夾難度大，加工過(guò)程中絲線切斷后纏繞預(yù)應(yīng)力和已切除材料殘余應(yīng)力的釋放、刀具以及裝夾等因素的綜合影響，導(dǎo)致加工變形、回彈現(xiàn)象嚴(yán)重，加工精度低，達(dá)不到使用要求；碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)熱性差，在車(chē)削加工過(guò)程中刀具與碳復(fù)合材料產(chǎn)生大量的摩擦熱，熱量難以在加工中排除，切削溫度高，易引起加工熱變形，切削加工性能差，對(duì)加工過(guò)程中的各種影響因素極為敏感［1］，高的加工精度很難保證。

針對(duì)加工中出現(xiàn)的上述問(wèn)題，開(kāi)展了多方案碳纖維薄壁圓筒的加工工藝研究與試驗(yàn)，研究以解決加工中出現(xiàn)分層、起毛和拉絲等缺陷，以減小切削顫振、裝夾和加工變形，提高加工精度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求為目的，確定該種工件的加工工藝技術(shù)參數(shù)，滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

1 碳纖維薄壁圓筒的加工特性

碳纖維薄壁圓筒是由碳纖維加膠纏繞而成，其絲線的纏繞角度在層間分布制度不同，碳纖維圓筒絲線纏繞角度放大如圖1所示。層間厚度僅為0.2 mm，其不同的鋪層制度給外圓的車(chē)削加工帶來(lái)很大的加工難度：在外圓車(chē)削加工過(guò)程中刀具與碳纖維的纏繞方向形成順切、逆切或成角度切削，3種切削方式混合進(jìn)行，無(wú)法用加工方法的調(diào)整來(lái)解決。車(chē)削加工中，機(jī)床、刀具、夾具和工件共同組成一個(gè)切削過(guò)程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，切削力、加工變形、振動(dòng)和顫振等動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象成為決定加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。由于層間強(qiáng)度低，工件壁薄在加工中易產(chǎn)生切削顫振，導(dǎo)致分層、起毛和拉絲等問(wèn)題。

圖1 碳纖維圓筒絲線纏繞角度放大

2 車(chē)削顫振對(duì)工件的影響

根據(jù)碳纖維薄壁圓筒的結(jié)構(gòu)特性和纏繞特性，工件沿軸向和徑向剛性較弱，在切削力的作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，由于工件外圓表面粗糙，加工開(kāi)始，沿進(jìn)給方向產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)在工件表面上留下振紋，從第2圈開(kāi)始，加工表面的內(nèi)外表面均存在振紋，外表面的振紋是前一轉(zhuǎn)切削留下的，內(nèi)表面的振紋是當(dāng)前切削留下的，對(duì)于不同角度的鋪層制度纏繞而成碳纖維薄壁圓筒，振幅更大，實(shí)際的切削厚度不再是常數(shù)，偏離理想切削厚度h較大，碳纖維圓筒車(chē)削振動(dòng)模型如圖2所示，由于碳纖維纏繞而成的圓筒切削加工時(shí)直接將絲線切斷，切削的厚度呈不規(guī)則變化，當(dāng)偏離值散差至極點(diǎn)時(shí)引起車(chē)削加工起毛現(xiàn)象。碳纖維切削本身的斷續(xù)性和不連續(xù)性所激起的強(qiáng)迫振動(dòng)和加工系統(tǒng)本身特性所激起的自激振動(dòng)是影響碳纖維薄壁筒加工的主要因素。因此，應(yīng)當(dāng)盡力避免出現(xiàn)切削剛性系統(tǒng)和工件車(chē)削的振動(dòng)，提高加工精度。

圖2 碳纖維圓筒車(chē)削振動(dòng)模型

3 專(zhuān)用夾緊裝置的設(shè)計(jì)

為了減小切削剛性系統(tǒng)引起的切削顫振，解決加工中出現(xiàn)的起毛拉絲問(wèn)題，同時(shí)考慮工件兩端面位置度和加工精度要求，裝夾和加工變形難于控制等，工藝研究使用高精度數(shù)控車(chē)床，設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾緊裝置以滿(mǎn)足工藝設(shè)計(jì)要求。碳纖維薄壁筒專(zhuān)用夾緊裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，裝置設(shè)計(jì)為2個(gè)相同的漲緊組件，安裝在同一主軸上，兩端分別將工件漲緊，為軸向?qū)ΨQ(chēng)結(jié)構(gòu)，主軸兩端設(shè)計(jì)有高精度帶護(hù)錐中心孔，加工時(shí)使用兩中心頂尖，可以提高工件的定位精度。

圖3 碳纖維薄壁筒專(zhuān)用夾緊裝置結(jié)構(gòu)

裝置的設(shè)計(jì)為剛性定位，柔性?shī)A緊，通過(guò)脹緊力的調(diào)節(jié)，有效地減小裝夾變形和切削振動(dòng)，提高加工精度。同時(shí)裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一次裝夾同時(shí)車(chē)削工件兩端外圓和端面，解決了工件兩端平行度和垂直度超差的問(wèn)題，提高了各加工部位形位精度。

4 切削刀具的研究

在切削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，碳纖維有的是在拉伸作用下切除的，有的是在剪切彎曲聯(lián)合作用下切除的。由于纖維的抗拉強(qiáng)度較高，要切斷需要較大的切削功率，加之粗糙的纖維斷面與刀具的摩擦嚴(yán)重，生成了大量的切削熱，CFRP的熱導(dǎo)率k又比金屬要低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，切削區(qū)的溫度較高且集中于刀具切削刃附近很窄區(qū)域內(nèi)，纖維的彈性恢復(fù)及粉末狀的切屑又劇烈地擦傷切削刃和后刀面，在切削加工中，切削力的大小將直接影響薄壁筒類(lèi)零件的變形［2］。因此，可選擇合理的刀具參數(shù)來(lái)減少切削力。由于工件剛性差，對(duì)振動(dòng)非常敏感，車(chē)刀的幾何形狀和角度選擇尤為關(guān)鍵。選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：為減少工件的彎曲變形，車(chē)刀的主偏角應(yīng)加大，以減少?gòu)较蚯邢鞣至?；為減少切削力，選擇大前角；車(chē)刀安裝，略高于工件軸線，使車(chē)刀后面與工件輕微接觸，以增加切削的平穩(wěn)性［3］。

為了滿(mǎn)足刀具重復(fù)定位精度要求和裝夾使用方便，選用標(biāo)準(zhǔn)的適于數(shù)控車(chē)床的可轉(zhuǎn)位機(jī)夾車(chē)刀，螺釘緊固型的刀片夾緊形式。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)及碳纖維薄壁轉(zhuǎn)筒的材料及結(jié)構(gòu)特性，通過(guò)刀具切削試驗(yàn)，確定選用的刀具參數(shù)如表1所示。

表1 刀具幾何形狀參數(shù)

5 切削參數(shù)試驗(yàn)

碳纖維復(fù)合材料屬于各向異性材料，強(qiáng)度和硬度高，層間不同的鋪層制度，加工過(guò)程中極易出現(xiàn)分層、拉絲、起毛等缺陷，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和合格率，又由于工件為大直徑薄壁，車(chē)削力和車(chē)削熱引起的變形對(duì)工件加工精度影響很敏感。因此，必須進(jìn)行系統(tǒng)的切削實(shí)驗(yàn)以選擇合理的切削參數(shù)，保證加工質(zhì)量。

因切削速度v、進(jìn)給速度f(wàn)、切削深度ap因素在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中是可控制的，故選擇其作為本次試驗(yàn)的可控因素。試驗(yàn)以每個(gè)可控因素都為三水平的正交試驗(yàn)［4］，每次試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)測(cè)量3次，取其平均值，試驗(yàn)以外圓表面質(zhì)量（分層、拉絲、起毛和表面粗糙度）、外圓尺寸散差值和圓度值作為質(zhì)量特征［5］，評(píng)價(jià)切削參數(shù)。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 加工工藝參數(shù)水平設(shè)計(jì)

從表3試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)編號(hào)2和試驗(yàn)編號(hào)7試驗(yàn)方案中外圓表面質(zhì)量均達(dá)到最好，外圓尺寸散差相當(dāng)，而試驗(yàn)編號(hào)2中外圓圓度明顯好于試驗(yàn)編號(hào)7，試驗(yàn)結(jié)果符合切削經(jīng)驗(yàn)值，確定試驗(yàn)編號(hào)2切削參數(shù)組合為最優(yōu)組合，即切削速度v＝30m／min，切削深度ap＝0.03mm，進(jìn)給速度f(wàn)＝0.06 mm／r。

表3 正交切削表及試驗(yàn)結(jié)果

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了保證工件的加工質(zhì)量，需要通過(guò)驗(yàn)證切削實(shí)驗(yàn)來(lái)檢查參數(shù)設(shè)計(jì)中最優(yōu)切削參數(shù)組合的合理性，為此安排了60件工件進(jìn)行切削驗(yàn)證，將各質(zhì)量特征評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)取其平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：外圓表面沒(méi)有出現(xiàn)分層拉絲起毛現(xiàn)象，表面粗糙度為2.31 μm，外圓尺寸散差值0.07mm，外圓圓度值0.08 mm，三項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量特征均滿(mǎn)足工藝設(shè)計(jì)要求。由此可見(jiàn)，由參數(shù)設(shè)計(jì)確定的切削速度v＝30m／min；切削深度ap＝0.03mm；進(jìn)給速度f(wàn)＝0.06mm／r，切削參數(shù)組合方案是最優(yōu)的，在生產(chǎn)中得到了很好的應(yīng)用。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒加工工藝技術(shù)研究與試驗(yàn)，研制專(zhuān)用定位裝夾裝置，解決了由加工顫振引起的分層拉絲起毛問(wèn)題和工件兩端平行度和垂直度超差的問(wèn)題，同時(shí)有效減小了薄壁長(zhǎng)筒類(lèi)件裝夾變形，滿(mǎn)足了工藝設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)切削刀具的研究分析，確定了刀具幾何形狀的選用標(biāo)準(zhǔn)，采用正交實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行切削參數(shù)試驗(yàn)，得出車(chē)削薄壁碳纖維圓筒的最優(yōu)切削參數(shù)組合，解決了加工中出現(xiàn)拉絲起毛的問(wèn)題，有效減小了加工變形，保證了加工精度。

研究的該種碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒高精度車(chē)削的加工工藝方法，已成功應(yīng)用到生產(chǎn)中，取得了顯著效果，同時(shí)該種加工工藝方法可以推廣應(yīng)用到復(fù)合材料的車(chē)削加工制造領(lǐng)域。

［1］ 周澤華.金屬切削原理［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1992.

［2］ 機(jī)械加工工藝手冊(cè)，第2卷.加工技術(shù)卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］ 袁哲俊，劉華明.刀具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社1999.

［4］ 朱紅兵.應(yīng)用統(tǒng)計(jì)與SPSS應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［5］ Dauglasc，Montgomery.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析［M］.汪仁官，陳榮昭，譯.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，1998.