凱芙拉纖維增強復合材料鉆削力模型研究

沈國華，孫 敏，戚寶運

(中國電子科技集團公司 第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

凱芙拉纖維增強復合材料鉆削力模型研究

沈國華，孫 敏，戚寶運

(中國電子科技集團公司 第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

凱芙拉纖維增強復合材料(KFRP)以其卓越的性能在兵器裝備上獲得了廣泛的應用，但其加工時刀具磨損嚴重，加工效率低，屬于難加工材料。為了提高其加工效率，對KFRP鉆孔的加工參數(shù)優(yōu)化模型進行了研究。通過單因素試驗獲得切削力數(shù)據(jù)，利用線性回歸的方法獲得KFRP鉆削力模型。試驗值與模擬值的對比結果表明：MA.FORD非常規(guī)刀具適宜鉆削KFRP，且在高速加工時更有利；SUPERLERTOOLS常規(guī)鉆頭不適宜加工KFRP；MA.FORD非常規(guī)刀具鉆削KFRP時，隨著切削速度的增大，主切削力有下降的趨勢，而隨著進給量的增大，主切削力變化不大。

鉆孔；凱芙拉纖維增強復合材料；優(yōu)化模型

凱芙拉纖維增強復合材料(kevlar fibers reinforce polymer，簡稱KFRP)具有強度高、密度低、韌性大和不易熔化等特點，以其卓越的性能在兵器裝備上獲得了廣泛的應用[1]。KFRP作為輕質材料，具有優(yōu)異的防彈性能，顯著提高了坦克裝甲車輛的綜合防護能力。在KFRP構件的連接中，通常需要在KFRP構件上加工出大量的孔，由于凱芙拉纖維的韌性和抗拉強度高，刀具磨損嚴重，加工效率低，屬于難加工材料；同時加工中容易產(chǎn)生材料分層、抽絲、拉毛、出入口材料隆起、孔表面粗糙以及尺寸收縮等加工缺陷，導致孔周圍材料破壞，加工質量難以控制[2-4]。南京理工大學在KFRP的加工方面做了大量工作，對KFRP的加工機理以及典型特征(如槽、孔)的加工進行了大量研究[5-8]。

筆者通過對切削力試驗，研究了KFRP的切削力模型，通過單因素試驗，利用線性回歸法構建了KFRP鉆削力模型，對KFRP切削參數(shù)的優(yōu)化選擇提供了參考依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 工件與刀具

試驗工件材料為kevlar-49，選擇2種不同類型的硬質合金鉆頭進行研究(見表1)，分別為常規(guī)硬質合金鉆頭SUPERLORTOOLS D644 080(見圖1)和非常規(guī)硬質合金鉆頭MA.FORD 20731500(見圖2)。MA.FORD非常規(guī)硬質合金鉆頭擁有2個鋒利的刀尖，而SUPERLORTOOLS常規(guī)硬質合金鉆頭擁有2條切削刃。2種鉆頭的直徑均為8 mm。

表1 試驗選用鉆頭

圖1 SUPERLORTOOLS 圖2 MA.FORD非常常規(guī)硬質合金鉆頭 規(guī)硬質合金鉆頭

1.2 試驗方案

為了減少試驗次數(shù)，提高各試驗點數(shù)據(jù)的信息量，增強預測模型的準確性，在給定進給量和轉速的情況下進行單因素鉆削加工試驗。試驗參數(shù)選取范圍見表2。

表2 切削參數(shù)選擇

試驗在Mikron UCP800五坐標高速加工中心上進行，機床最高轉速為20 000 r/min，功率為30 kW，最大工作進給速度為20 m/min。對鉆削力的測量采用Kistler9257B動態(tài)測力儀，與之配套的放大器為Kistler5017A電荷放大器。測力試驗平臺如圖3所示。

圖3 測力平臺原理圖

2 結果與分析

2.1 鉆削力經(jīng)驗公式

(1)

同理，可以得到切削力Fx與fz的關系式為：

(2)

進而得到切削力Fx與vc、fz的多因素關系式為：

(3)

2.2 MA.FORD非常規(guī)硬質合金鉆頭切削力試驗分析

MA.FORD20731500鉆頭擬合得到的三向切削力經(jīng)驗公式分別為：

(4)

(5)

(6)

根據(jù)式4～式6以及相應的切削參數(shù)得到對應的擬合值。MA.FORD非常規(guī)硬質合金鉆頭鉆削KFRP的切削力試驗值和擬合值如圖4和圖5所示。由圖可見，試驗值與擬合值誤差較小，通過試驗獲得的經(jīng)驗公式，可以很好地反映MA.FORD非常規(guī)硬質合金鉆頭鉆削KFRP的切削力與切削速度和進給量的關系。在鉆削時，F(xiàn)z為軸向力，即主切削力，隨著切削速度的增大，主切削力有下降的趨勢，而隨著進給量的增大，主切削力變化不大；此外，該鉆頭在鉆削KFRP時切削力較為穩(wěn)定?？梢姡撱@頭適宜加工KFRP，且宜選用高速加工。

圖4 MA.FORD非常規(guī)硬質合金鉆頭鉆削KFRP的切削力與切削速度關系

圖5 MA.FORD非常規(guī)硬質合金鉆頭鉆削KFRP的切削力與進給量關系

2.3 SUPERLERTOOLS常規(guī)硬質合金鉆頭切削力試驗分析

SUPERLERTOOLS常規(guī)硬質合金鉆頭擬合得到的三向切削力經(jīng)驗公式分別為：

(7)

(8)

(9)

根據(jù)式7～式9以及相應的切削參數(shù)得到對應的擬合值。SUPERLERTOOLS常規(guī)硬質合金鉆頭鉆削KFRP的切削力試驗值和擬合值如圖5和圖6所示。由圖可見，試驗值與擬合值誤差較大，該鉆頭在切削KFRP時切削力波動較大，很難與實際值相吻合。這主要是由于該鉆頭切削刃不夠鋒利，盡管可以加工，但加工較為困難，因此該鉆頭不適宜鉆削KFRP。

圖6 SUPERLORTOOLS常規(guī)硬質合金鉆頭鉆削KFRP的切削力與切削速度關系

圖7 SUPERLORTOOLS常規(guī)硬質合金鉆頭鉆削KFRP的切削力與進給量關系

3 結語

通過單因素試驗，利用線性回歸的方法對2種刀具鉆削模型進行了擬合，得到了切削力與切削速度和進給量的關系式，主要結論如下：1)MA.FORD非常規(guī)硬質合金鉆頭鉆削KFRP時，隨著切削速度的增大，主切削力有下降的趨勢，而隨著進給量的增大，主切削力變化不大；2)MA.FORD非常規(guī)硬質合金鉆頭適宜鉆削KFRP，且在高速加工時更有利；3)SUPERLERTOOLS常規(guī)硬質合金鉆頭不適宜加工KFRP。

[1] 沃西源, 涂彬, 夏英偉. 芳綸纖維及其復合材料性能與應用研究[J]. 航天返回與遙感, 2005, 26(2): 50-55.

[2] 王慧鋒, 曹增強. 復合材料制孔分層試驗研究分析[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2008(7): 60-62.

[3] 蔡欣, 章林. 纖維增強復合材料層合板分層破壞的研究[J]. 復合材料學報, 1991,8(1): 61-69.

[4] 靳曉麗, 周遠遠. 凱芙拉防彈復合材料的孔加工試驗研究[J]. 新技術新工藝, 2011(8): 34-36.

[5] 王丹. 凱芙拉纖維增強復合材料加工技術研究[D].南京: 南京理工大學，2007.

[6] 郭麗. 高性能輕質裝甲材料加工技術的研究[D].南京: 南京理工大學，2006.

[7] 靳曉麗. 輕質特種防護材料加工技術的研究[D].南京: 南京理工大學，2003.

[8] 王長煥. 輕質復合裝甲材料加工技術研究[D]. 南京: 南京理工大學，2002.

責任編輯馬彤

ResearchonDrillingForceModelofKFRP

SHEN Guohua, SUN Min, QI Baoyun

(The 28thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China)

Kevlar fibers reinforce polymer (KFRP) is wildly applied in military weapon with excellence performance, but it is difficult-cutting-material. For improving its cutting efficiency, drilling parameter optimize model of KFRP was researched on. Based on the cutting test data, drilling parameter optimize model of KFRP was obtained by linearity regression method. The contrast results of experiment value and simulation value indicated that MA.FORD unconventionality drilling tool was suit for KFRP, and had the advantages in high speed cutting; SUPERLERTOOLS conventionality drilling tool was not suit for KFRP, the main cutting force reduced with cutting speed and had little change with feed speed when MA.FORD tool drilled KFRP.

drilling，KFRP，optimizing model

TG 501

：A

沈國華(1972-)，男，工程師，主要從事結構與工藝設計等方面的研究。

2014-09-28