切削加工對(duì)芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（KFRP）構(gòu)件表面質(zhì)量的影響研究

魏仕華

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)學(xué)院，泰州 201114）

0 引言

芳綸具有密度低、耐腐蝕、耐沖擊、阻燃等特性，在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，一般芳綸與碳纖維配合使用，在實(shí)現(xiàn)減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下，對(duì)易磨損和易碰撞等功能性強(qiáng)的復(fù)合材料部件實(shí)施外表面的防護(hù)作用。其大量應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的次承力結(jié)構(gòu)件，如機(jī)艙門、整流罩、艙壁等[1]。芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（KFRP）構(gòu)件切削加工過程中，由于其構(gòu)件層壓板的層間剪切強(qiáng)度低，纖維與基體的粘接強(qiáng)度遠(yuǎn)低于纖維的抗拉伸強(qiáng)度，這些給加工帶來了很大的困難，而且在加工中容易產(chǎn)基體燒蝕，纖維斷裂以及切面分層、表面粗糙等表面缺陷。國內(nèi)外學(xué)者在復(fù)合材料切削機(jī)理[2]、刀具材料結(jié)構(gòu)[3]、特種加工、制孔工藝等領(lǐng)域，對(duì)如何提高復(fù)合材料工件表面質(zhì)量、提高刀具壽命和切削性能、優(yōu)化切削參數(shù)等方面進(jìn)行了深入的研究[4,5]，并且對(duì)加工表面質(zhì)量控制及其表征技術(shù)[6～9]，提出了諸如三維形貌表征等理論方法。

本文從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，通過生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵影響因素，以及質(zhì)量控制因素，通過設(shè)計(jì)全因子試驗(yàn)，研究了芳綸纖維復(fù)合材料構(gòu)件切邊工藝過程中，刀具種類、切削速度、進(jìn)給速度等因素對(duì)其加工表面質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)因子分析及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文以某型號(hào)飛機(jī)某芳綸復(fù)合材料構(gòu)件為研究背景，在切削加工過程中，刀具種類、切削速度、進(jìn)給速度為實(shí)際生產(chǎn)中最為關(guān)注的控制參數(shù)，且基于質(zhì)量控制的要求，切邊需要沒有纖維斷裂、分層、沒有基體燒蝕以及表面粗糙度需要達(dá)到一定的要求，在生產(chǎn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)基本上有纖維斷裂的產(chǎn)品其附近區(qū)域出現(xiàn)分層的結(jié)構(gòu)缺陷概率超過95%。為減少試驗(yàn)次數(shù)和成本，我們將纖維斷裂和分層作為同一影響因子進(jìn)行分析。基于此，本試驗(yàn)將選取刀具種類、切削速度以及進(jìn)給速度為影響因子，以加工切面是否有基體燒蝕，纖維是否斷裂、以及表面粗糙度為響應(yīng)特性進(jìn)行研究。根據(jù)全因子試驗(yàn)的要求，對(duì)3因子3水平的樣本研究需要進(jìn)行27次全因子試驗(yàn)，本文試驗(yàn)中影響因子與其編碼水平如表1所示。

表1 影響因子的編碼水平

2 試驗(yàn)過程

2.1 試片準(zhǔn)備

1）材料：KVALAR芳綸纖維增強(qiáng)HexPly914環(huán)氧樹脂增強(qiáng)預(yù)侵料。

2）試片工藝設(shè)計(jì)：根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品工藝，采用90交叉鋪層10層預(yù)侵料，上下表面鋪上鋁膜。最終試片如圖1所示。

圖1 成型試片

3）固化工藝： 175oC固化溫度，7BAR真空壓力固化1小時(shí)，然后190oC二次固化4小時(shí)。

2.2 試驗(yàn)機(jī)床及刀具

1）機(jī)床：CMS ARES高速加工中心。

2）刀具種類及幾何參數(shù)：根據(jù)市場(chǎng)主流刀具供應(yīng)商推薦的復(fù)合材料加工刀具及其推薦工藝參數(shù)，選用如下刀具參數(shù)，如表2所示。

2.3 試驗(yàn)流程及過程描述

為減少測(cè)量系統(tǒng)誤差，所有試片制作、切割和測(cè)量分別由同一工藝人員在同一設(shè)備中完成，為了方便數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，按照如下流程進(jìn)行試驗(yàn)。

1）試片編碼：針對(duì)全因子試驗(yàn)安排，對(duì)試片進(jìn)行編碼。

2）試片切割：按全因子試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行機(jī)床工藝參數(shù)設(shè)置、刀具選擇，然后安裝試片進(jìn)行切割。

表2 刀具種類及主要幾何參數(shù)

表3 全因子試驗(yàn)計(jì)劃表及試驗(yàn)結(jié)果

3）試片測(cè)量：對(duì)切面燒蝕和纖維斷裂使用顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)判斷，對(duì)切面粗糙度測(cè)量使用三維光學(xué)測(cè)量儀。

4）數(shù)據(jù)收集、整理。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)如上的試驗(yàn)過程所得到的全因子試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，在這里需要說明的是對(duì)切面燒蝕和纖維斷裂的判斷，如圖2所示，在顯微鏡下有明顯的纖維斷裂；如圖3所示，切面因燒蝕不能很清楚的看到纖維切層。如圖4所示，纖維切層及基體切層界限清晰，無纖維斷裂和基體燒蝕現(xiàn)象。

圖2 纖維斷裂(K10, Speed=54m/Min, Feed=2500mm/Min)

圖3 切面燒蝕(PCBN, Speed=60m/Min, Feed=2500mm/Min)

圖4 無缺陷曲面(PCD, Speed=60m/Min, Feed=1500mm/Min)

3.1 切削速度和進(jìn)給量對(duì)加工表面質(zhì)量的影響分析

1）切削速度和進(jìn)給量對(duì)切面粗糙度的影響分析

從圖5中可以看出機(jī)床的切削速度和進(jìn)給速度都對(duì)切面粗糙度影響較大：隨著切削速度的增加，復(fù)合材料被加工表面的粗糙度減?。浑S著進(jìn)給速度的提高，被加工表面的粗糙度有明顯的提升。

圖5 切削速度和進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

使用ANOVA的統(tǒng)計(jì)方法得出的結(jié)論如表4所示，切削速度(Vf)和進(jìn)給速度(f)項(xiàng)P=0小于顯著性水平0.05，故這兩個(gè)因子對(duì)粗糙度有顯著影響。同理從交叉項(xiàng)P＝0.331大于顯著性水平0.05，故該交叉項(xiàng)對(duì)粗糙度影響不顯著。

表4 ANOVA方法分析切削速度和進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

2）切削速度對(duì)表切面燒蝕和纖維斷裂的影響分析

如圖6中所示出，當(dāng)切削速度處于低水平時(shí)（小于54m/Min），切削速度對(duì)切面燒蝕和纖維斷裂沒有明顯的影響；當(dāng)速度處于高水平時(shí)（大于54m/Min），切削速度對(duì)切面燒蝕和纖維斷裂有顯著性的影響，并且隨著切削速度的增加，出現(xiàn)切面燒蝕和纖維斷裂缺陷的概率明顯增加，且切面的燒蝕增加更明顯。

圖6 切削速度對(duì)切面燒蝕和纖維斷裂的影響

3）進(jìn)給速度對(duì)表切面燒蝕和纖維斷裂的影響分析

如圖7中所示出，當(dāng)進(jìn)給速度處于低水平時(shí)（小于2000m/Min），隨著進(jìn)給速度的增加，出現(xiàn)切面燒蝕的概率呈減少趨勢(shì)，但影響不是很明顯，而對(duì)纖維斷裂基本沒有影響；當(dāng)進(jìn)給速度處于高水平時(shí)（大于2000m/Min），其對(duì)切面燒蝕和纖維斷裂有顯著性的影響，且隨著進(jìn)給速度的增加，出現(xiàn)切面燒蝕和纖維斷裂缺陷的概率明顯增加。

圖7 進(jìn)給速度對(duì)切面燒蝕和纖維斷裂的影響

3.2 刀具種類對(duì)切面質(zhì)量的影響分析

1）刀具種類對(duì)表面粗糙度的影響分析

從圖8所示趨勢(shì)以及表5中顯著性影響因子P=0.672大于顯著性水平0.05可以看出，刀具種類對(duì)粗糙度有影響，但是影響不是很顯著。另外，硬質(zhì)合金刀具（K10）與立方氮化硼（PCBN）對(duì)表面粗糙度的影響，相比較與立方氮化硼（PCBN）與人造金剛石（PCD）刀具與硬質(zhì)合金刀具改變對(duì)表面粗糙度的影響要大，從表2中可知，3種刀具除了材料上的差別外，刀具幾何參數(shù)在刀尖圓弧半徑和刃傾角上有差別。類比分析，表面粗糙度對(duì)刀具幾何參數(shù)相比刀具材料更敏感，并且隨著刀尖圓弧半徑和刃傾角的增加，切面表面粗糙度降低。

圖8 刀具種類對(duì)表面粗糙度的影響

表5 ANOVA方法分析刀具種類對(duì)表面粗糙度影響

2）刀具種類對(duì)切面燒蝕和纖維斷裂影響分析

如圖9中所示出，刀具種類對(duì)纖維斷裂缺陷影響明顯，對(duì)切面燒蝕缺陷影響不明顯，但人造金剛石（PCD）刀具引起的纖維斷裂和切面燒蝕缺陷概率明顯小于硬質(zhì)合金刀具引起的缺陷概率。對(duì)于纖維斷裂缺陷的影響，相比較于硬質(zhì)合金刀具，因人造金剛石（PCD）刀具的硬度很高，其切削刃能夠磨的很鋒利，有利于切斷纖維，故使用金剛石刀具有利于減少纖維斷裂缺陷。

圖9 刀具種類對(duì)切面燒蝕和纖維斷裂的影響

4 試驗(yàn)結(jié)論

基于以上對(duì)芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件切削加工中刀具種類，切削速度，進(jìn)給速度對(duì)切面質(zhì)量的試驗(yàn)分析，以切面燒蝕、纖維斷裂以及表面粗糙度表征切面質(zhì)量，我們有如下結(jié)論：

1）切削速度和進(jìn)給量對(duì)芳綸復(fù)合材料構(gòu)件加工切面有顯著影響：隨著切削速度的增加，復(fù)合材料被加工表面的粗糙度減小，當(dāng)速度達(dá)到一定水平時(shí)，其產(chǎn)生切面燒蝕和纖維斷裂缺陷的概率增大；隨著進(jìn)給速度的提高，被加工表面的粗糙度有明顯的提升，當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到一定水平時(shí)，其產(chǎn)生切面燒蝕和纖維斷裂缺陷的概率增加。

2）刀具材料對(duì)表面粗糙度影響不明顯，但刀具幾何參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響較大，且隨著刀尖圓弧半徑和刃傾角的增加，切面表面粗糙度降低。刀具種類對(duì)纖維斷裂缺陷影響明顯，對(duì)切面燒蝕缺陷影響不明顯。

[1]廖子龍.芳綸及其復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用,2008,33(4):25-29.

[2]張厚江,陳五一,陳鼎昌.碳纖維復(fù)合材料切削機(jī)理研究[J].航空制造技術(shù),2004,7:57-59.

[3]于啟勛,解麗靜,全燕鳴,等.超硬刀具加工復(fù)合材料的切削性能和切削機(jī)理[J].現(xiàn)代制造工程,2002,2:25-27.

[4]全燕鳴,曾志新,葉邦彥.復(fù)合材料的切削加工表面質(zhì)量[J].中國機(jī)械工程,2002,13(21):1872-1875.

[5]肖繼明,侯曉莉,張波,等.高硅氧玻璃纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料切削力的試驗(yàn)研究[J].宇航材料工藝.2009,39(3):64-67.

[5]張?jiān)?SiC_p /Al復(fù)合材料高速切削加工表面微觀形貌表征的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[6]全燕鳴,葉邦彥.復(fù)合材料的切削加工表面結(jié)構(gòu)與表面粗糙度[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2001,18(4):128-132.

[7]楊東軍.FRRMC切削表面三維微觀形貌測(cè)量的研究 [D].大連理工大學(xué),2006.

[8]艾傳智.C/C復(fù)合材料切削表面粗糙度的評(píng)定方法研究[D].大連理工大學(xué),2006.