不同工藝對碳纖維復(fù)合材料制孔的影響

不同工藝對碳纖維復(fù)合材料制孔的影響*

王明海1,2，劉明輝3，徐穎翔2，劉大響1，姜慶杰2

(1.北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，北京100191；2.沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽110136；3. 沈陽飛機設(shè)計研究所，沈陽110035)

摘要：傳統(tǒng)鉆削工藝對碳纖維復(fù)合材料制孔時容易產(chǎn)生毛刺、撕裂和分層等加工缺陷。然而，作為一種新型制孔工藝，螺旋銑削在航空難加工材料中的運用越來越廣泛。為了分析不同工藝對碳纖維復(fù)合材料制孔的影響，在相同切削速度和進給速度的條件下，分別對碳纖維復(fù)合材料傳統(tǒng)鉆孔和螺旋銑孔進行試驗，并對制孔過程中的軸向力和加工質(zhì)量進行檢測和分析。結(jié)果表明：當切削條件相同時，螺旋銑孔下的軸向力僅僅是傳統(tǒng)鉆孔的33.97%~51.23%；而且，螺旋銑孔的加工質(zhì)量要優(yōu)于傳統(tǒng)鉆孔，從而更適用于碳纖維復(fù)合材料加工。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；螺旋銑孔；傳統(tǒng)鉆孔；軸向力；加工質(zhì)量

文章編號：1001-2265(2015)09-0125-04

收稿日期：2014-11-11

基金項目：*裝備重點預(yù)研

作者簡介：王明海(1971—)，男，濟南人，沈陽航空航天大學(xué)教授，博士，研究方向為精密高效數(shù)控加工技術(shù)，(E-mail)wangminghai2008@163.com；通訊作者：徐穎翔(1991—)，男，江西鷹潭人，沈陽航空航天大學(xué)碩士研究生，研究方向為精密、超精密加工技術(shù)，(E-mail)15040235947@163.com。

中圖分類號：TH142;TG506

Effect of Different Hole-making Processes on Carbon Fiber Composite Material

WANG Ming-hai1,2,LIU Ming-hui3,XU Ying-xiang2,LIU Da-xiang1,JIANG Qing-jie2

(1. Energy and Power Engineering Academy Beihang University, Beijing 100191; China;2. Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136; China)

Abstract：Many defects such as burrs, tears and delamination are often observed in conventional drilling carbon fiber composite. While, as a novel hole-making process, helical milling is used for machining aviation difficult materials more and more widely. In order to analyze effect of different hole-making processes on carbon fiber composite material, under the same conditions of cutting speed and feed rate, comparative tests are carried out, then the thrust force and machining quality are detected analyzed. The results show that: when the cutting conditions are the same, the thrust force of the helical milling is only 33.97% ~ 51.23% of conventional drilling; besides, machining quality of helical milling is superior to the traditional drilling, thus helical milling is more suitable for carbon fiber composite material processing.

Key words： carbon fiber composite material; helical milling; traditional drilling; thrust force; machining quality

0引言

為了減小能源消耗、增加飛機壽命、節(jié)約維修成本，碳纖維復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastics)在飛機中使用的比重越來越高。在飛機組裝過程中，常用螺栓和鉚釘把碳纖維復(fù)合材料CFRP和其它金屬材料連接在一起以增強性能。因此，需要在CFRP疊層板上加工大量的連接孔[1]。

在傳統(tǒng)的鉆削工藝進行復(fù)合材料制孔的過程中,由于鉆頭橫刃處轉(zhuǎn)速為0,橫刃區(qū)的材料完全靠鉆頭的推擠作用而形成切屑，因此軸向力將非常大[2]。António T. Marques等[3]通過試驗比較不同幾何結(jié)構(gòu)的鉆頭對碳纖維復(fù)合材料分層的影響，結(jié)果表明，采用合適的切削參數(shù)和導(dǎo)向孔能有效的減小分層缺陷。鮑永杰[4]研制的“以磨代鉆”新型制孔刀具，能夠延長刀具使用壽命并改善碳纖維復(fù)合材料制孔質(zhì)量。

作為一種新型制孔工藝，螺旋銑孔具有切削過程平穩(wěn)、切削力小和加工精度高等優(yōu)點，能有效地減小碳纖維復(fù)合材料、鈦合金等難加工材料制孔過程中出現(xiàn)的問題[5]。王奔等[6]通過試驗證明碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔下的切削力和切削溫度均小于傳統(tǒng)鉆孔。劉剛等[7]以切削力和加工質(zhì)量為檢測對象，對碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔的切削參數(shù)進行優(yōu)化。E. Brinksmeier等[8]對螺旋銑孔的運動學(xué)分析，把螺旋銑劃分為底刃的鉆削作用和側(cè)刃的銑削作用，并結(jié)合切削面積推導(dǎo)出鉆銑的比例。Wang Haiyan等[9]基于切削理論建立了碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔的切削力模型，并通過試驗對銑削力系數(shù)修正。

本文分別對碳纖維復(fù)合材料傳統(tǒng)鉆孔和螺旋銑孔進行試驗，在相同切削速度和加工效率的前提下，對加工過程中的軸向力和加工質(zhì)量進行檢測，對比分析兩種不同工藝對碳纖維復(fù)合材料制孔的影響。

1刀具運動軌跡分析

圖1　螺旋銑孔運動示意圖

不同于傳統(tǒng)鉆孔，螺旋銑孔時刀具中心的運動軌跡是一條螺旋曲線，如圖1所示。其中Dm和D分別為銑刀直徑和待加工孔直徑；e為偏心量，即待加工孔軸線與銑刀軸線之間的偏移距離；n為銑刀自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，即機床主軸轉(zhuǎn)速；ng為銑刀公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，也稱為軌道轉(zhuǎn)速；ap為螺旋線的螺距，也就是銑刀每公轉(zhuǎn)一周沿軸線方向進給的距離[6]。

在螺旋銑孔過程中，銑刀底刃最外端切削速度vm同時受到銑刀自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的影響，即：

(1)

在垂直于軸線的xoy水平面內(nèi)，銑刀中心的進給速度fc為：

(2)

假設(shè)銑刀齒數(shù)為N，那么銑刀中心每齒進給量St為：

(3)

假設(shè)銑刀沿軸線方向的進給速度為fa，那么每公轉(zhuǎn)軸向切削深度ap為：

ap= fa/ng

(4)

因此，銑刀中心運動軌跡的螺旋角θ為：

(5)

在傳統(tǒng)鉆孔過程中，待加工孔直徑D等于鉆頭直徑Dd。假設(shè)主軸轉(zhuǎn)速為n，進給速度為fa，那么鉆頭最外端切削速度vd為：

vd=(π×Dd×n)/1000

(6)

2試驗設(shè)計

2.1切削參數(shù)選擇

刀具切削速度和進給速度是影響孔加工質(zhì)量和加工效率的主要因素，為了更準確地體現(xiàn)出不同工藝對碳纖維復(fù)合材料制孔的影響，在同一組試驗中，銑刀底刃最外端切削速度vm等于鉆頭最外端切削速度vd，并且兩者的進給速度也保持一致。此外，為了避免單一切削參數(shù)可能更適合某種加工工藝的情況，采用多組切削參數(shù)進行對比試驗，從而保證試驗結(jié)果的準確性。

在本試驗中，待加工孔直徑和鉆頭直徑均為8mm，由于螺旋銑孔時銑刀直徑與待加工孔直徑的比例大約為55%~90%[10]，因此采用直徑為6mm的四刃硬質(zhì)合金銑刀進行加工。銑刀和鉆頭的刃部覆TiAlN涂層以增強刀具的強度和韌性。本文對每個切削參數(shù)的每個水平進行全面試驗，螺旋銑孔切削參數(shù)如表1所示，對應(yīng)的傳統(tǒng)鉆孔切削參數(shù)如表2所示，其它參數(shù)可以通過式(1)～(6)計算求得。

表1　螺旋銑孔切削參數(shù)

表2　傳統(tǒng)鉆孔切削參數(shù)

2.2試驗條件

圖2　試驗設(shè)備連接

試驗中工件材料為T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，鋪層角度為[0°/90°/+45°/-45°/ 0°]s，對稱鋪層以消除層間耦合效果，其纖維的體積比為60 ± 5%，工件厚度約為4mm。試驗在VMC850B三坐標立式加工中心上進行，如圖2所示，碳纖維復(fù)合材料板固定在YDX-Ⅲ9702型壓電式銑削測力儀上，三個方向的切削力信號通過SINOCERA YE5850型電荷放大器進行放大處理，再經(jīng)DIN-50S型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后通過PCI-9118DG型多功能數(shù)據(jù)采集卡獲得模擬信號，并在切削力動態(tài)測量顯示系統(tǒng)軟件中進行分析處理。由于碳纖維切屑的導(dǎo)電性，易造成電器設(shè)備的短路，同時碳纖維粉塵吸入人體后危害人的健康。試驗過程中，利用吸塵器對產(chǎn)生的碳纖維切屑進行收集。

3結(jié)果分析

3.1軸向力

切削力是反映加工過程的重要參數(shù)，切削力的大小和波動情況直接體現(xiàn)加工狀態(tài)并影響加工表面質(zhì)量[11]。在碳纖維復(fù)合材料制孔過程中，軸向力的大小直接影響制孔質(zhì)量，是造成孔壁周圍材料分層，孔入、出口撕裂，毛刺等重大缺陷的主要因素[12]。

圖3為兩種制孔工藝下軸向力隨切削參數(shù)變化曲線，從圖中可以看出，當切削參數(shù)發(fā)生改變時，螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔下的軸向力有相同的變化趨勢，即軸向力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小，隨著進給速度的增加而增加。這是因為，當主軸轉(zhuǎn)速增加或者進給速度減小時，刀具每轉(zhuǎn)切削深度也隨之減小，從而有利于減小軸向力。

此外，當切削參數(shù)相同時，螺旋銑孔軸向力要比傳統(tǒng)鉆孔軸向力小得多。例如，在主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，進給速度為25mm/min時，螺旋銑孔軸向力達到最大值117.7N，對應(yīng)的傳統(tǒng)鉆孔軸向力為319.9N，增加了171.79%；在主軸轉(zhuǎn)速為6000r/min，進給速度為5mm/min時，兩種制孔工藝下軸向力均達到最小值，其中螺旋銑孔軸向力為45.8N，傳統(tǒng)鉆孔軸向力為89.4N，同比增加了95.20%。根據(jù)Cheng等[13]提出的臨界軸向力觀點，在碳纖維復(fù)合材料制孔過程中，當軸向力超過復(fù)合材料臨界軸向力時，將發(fā)生分層現(xiàn)象，從而嚴重減低材料性能以及承載能力。在軸向力的分析中可以看出，采用高的主軸轉(zhuǎn)速和低的進給速度有利于減小軸向力，但是這要么對機床提出更高的要求，要么會降低加工效率。然而，通過采用螺旋銑削工藝對碳纖維復(fù)合材料進行制孔，可以在保證加工效率的同時減小軸向力，從而改善加工質(zhì)量。

圖3　軸向力變化曲線

3.2入口質(zhì)量

以螺旋銑削和傳統(tǒng)鉆削兩種不同的制孔工藝作為單一變量，取切削速度和進給速度相同的一組加工孔為研究對象進行分析。在本試驗中，螺旋銑孔的主軸轉(zhuǎn)速為5000r/min，進給速度為20mm/min，對應(yīng)傳統(tǒng)鉆孔的主軸轉(zhuǎn)速為3762r/min，進給速度為20mm/min。使用基恩士VHX-2000超景深三維顯微鏡對制孔質(zhì)量進行觀察。

在入口處，螺旋銑削下的加工孔有少量毛刺產(chǎn)生，如圖4a所示。這是因為，不同于傳統(tǒng)鉆削，在螺旋銑孔過程中，銑刀不僅有沿軸線方向的進給運動，而且在xoy平面內(nèi)還有一個以待加工孔軸線為中心的圓周運動。對比試驗中銑刀的公轉(zhuǎn)方向和毛刺翻卷方向可以發(fā)現(xiàn)，正是銑刀螺旋線的切削軌跡導(dǎo)致了孔入口側(cè)毛刺缺陷的產(chǎn)生。圖4b為孔入口側(cè)未產(chǎn)生毛刺部分放大100倍后的圖像，從圖中可以看出，邊緣處十分光滑平整，完全沒有殘余的碳纖維或者撕裂等加工缺陷。

(a)20倍　　　　　　　　　　　(b)100倍

傳統(tǒng)鉆孔時，鉆頭中心只有沿軸線方向的進給運動，因此在加工孔入口處沒有產(chǎn)生翻卷的毛邊，如圖5a所示。(圖中的毛刺是在孔出口處形成的。)同樣，將邊緣部分放大100倍后進一步觀察，可以發(fā)現(xiàn)，孔入口處還殘留一些未完全切斷的纖維，斷口處相對比較粗糙，而且還有輕微的分層現(xiàn)象，如圖5b所示。這是因為，加工孔的最終質(zhì)量是由鉆頭副切削刃決定的，而傳統(tǒng)麻花鉆副切削刃不能有效地切斷殘余的碳纖維，從而導(dǎo)致了加工缺陷的產(chǎn)生，并影響材料的綜合性能。

(a)20倍　　　　　　　　　　　(b)100倍

3.3出口質(zhì)量

隨著切削深度增加，材料未切削厚度減小，碳纖維復(fù)合材料的臨界軸向力也隨之下降，當制孔產(chǎn)生的軸向力超過其臨界軸向力時，將在孔的出口側(cè)出現(xiàn)分層等加工缺陷[14]。圖6為螺旋銑削下加工孔的出口質(zhì)量，從圖中可以看出，在孔的出口處沒有毛刺缺陷產(chǎn)生，最外層的碳纖維被銑刀完全切除，進一步放大后可以發(fā)現(xiàn)，與螺旋銑孔入口質(zhì)量一樣，孔邊緣處十分光滑平整，而且沒有撕裂現(xiàn)象。(圖6a中右下方的毛刺是在孔入口處產(chǎn)生的。)螺旋銑孔的出口質(zhì)量較好主要是因為：一方面，鋒利的銑刀能有效地切斷最外層纖維，從而減小甚至消除出口毛刺，并且產(chǎn)生光滑平整的斷口；另一方面，螺旋銑孔過程中產(chǎn)生的軸向力較小，僅僅是相同切削條件下傳統(tǒng)鉆孔軸向力的41.17%，這有利于避免撕裂和分層缺陷的產(chǎn)生，從而改善出口質(zhì)量。

(a)20倍　　　　　　　　　　　(b)100倍

利用傳統(tǒng)麻花鉆加工碳纖維復(fù)合材料，其出口質(zhì)量如圖7所示。出口處殘留較多未切斷的纖維毛刺，進一步放大后還可以看到，斷口處的加工質(zhì)量比較粗糙，有一些纖維裸露在孔邊緣附近，此外，過大的軸向力還導(dǎo)致了出口撕裂缺陷的產(chǎn)生。通常，碳纖維復(fù)合材料的毛刺缺陷可以通過銼刀或者進一步鉸孔消除，然而，撕裂和分層缺陷更為嚴重，一旦出現(xiàn)，幾乎無法修復(fù)。

(a)20倍　　　　　　　　　　　(b)100倍

3.4孔壁質(zhì)量

為了分析不同制孔工藝對孔壁質(zhì)量的影響，采用金剛石切割片將復(fù)合材料板沿橫向切開，并放在顯微鏡下進行觀察，如圖8和圖9所示。對比可以發(fā)現(xiàn)，螺旋銑削下的孔壁比較光滑，纖維都被整齊地切斷，加工質(zhì)量較好，用TR240便攜式表面粗糙度儀測得其平均粗糙度也只有1.013μm。然而，通過傳統(tǒng)鉆削工藝產(chǎn)生的孔壁質(zhì)量較差，不僅殘留未切斷的碳纖維，而且在孔壁表面還有微裂紋等加工缺陷，從而導(dǎo)致其粗糙度大大增加，甚至超出了粗糙度儀的有效測量范圍。

孔壁表面產(chǎn)生微裂紋缺陷的主要原因有[15]：①復(fù)合材料在制備過程中就已經(jīng)存在原始裂紋，加工后恰好出現(xiàn)在孔壁表面；②制孔產(chǎn)生的軸向力超過復(fù)合材料的層間粘合強度，導(dǎo)致樹脂基體開裂，從而造成局部分層缺陷的產(chǎn)生，在孔壁表面表現(xiàn)為微裂紋；③使用傳統(tǒng)麻花鉆進行碳纖維復(fù)合材料制孔時，鉆頭不能有效地切斷纖維，導(dǎo)致部分纖維被鉆頭整體拔出，從而產(chǎn)生空洞，造成孔壁表面微裂紋缺陷的出現(xiàn)。然而，將其它切削參數(shù)下的加工孔切開發(fā)現(xiàn)，螺旋銑孔下的孔壁質(zhì)量均較好，而傳統(tǒng)鉆孔下的孔壁表面卻或多或少都有微裂紋缺陷產(chǎn)生。因此，可以排除復(fù)合材料在制備過程中就已經(jīng)存在原始裂紋的可能，并且推斷傳統(tǒng)鉆削工藝不適用于碳纖維復(fù)合材料制孔。

(a)20倍　　　　　　　　　　　(b)100倍

(a)20倍　　　　　　　　　　　(b)100倍

4結(jié)論

(1)當切削參數(shù)發(fā)生變化時，碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔下的軸向力有相同變化趨勢，即隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加和進給速度的減小，軸向力也隨之減小。當切削速度和進給速度相同時，螺旋銑孔下的軸向力僅僅是傳統(tǒng)鉆孔的33.97%~51.23%。

(2)取切削速度和進給速度相同的一組加工孔為研究對象，在入口處，螺旋銑削下的加工孔有少量毛刺產(chǎn)生，并且毛刺翻卷方向和銑刀公轉(zhuǎn)方向一致；傳統(tǒng)鉆削下的加工孔雖然沒有明顯的毛刺缺陷，但是其孔邊緣殘留未完全切斷的纖維，而且還有輕微的分層現(xiàn)象。

(3)螺旋銑孔出口質(zhì)量較好，沒有明顯加工缺陷，而且孔邊緣處斷口十分光滑平整；然而，傳統(tǒng)鉆孔時軸向力較大，導(dǎo)致出口產(chǎn)生毛刺和撕裂現(xiàn)象。

(4)螺旋銑孔下孔壁比較光滑，纖維都被整齊地切斷，加工質(zhì)量較好；然而，傳統(tǒng)鉆孔時容易在孔壁表面產(chǎn)生微裂紋等加工缺陷，惡化加工質(zhì)量。因此推斷傳統(tǒng)鉆削工藝不適用于碳纖維復(fù)合材料制孔。

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(編輯李秀敏)