碳/碳復(fù)合材料數(shù)控銑削力研究

許來(lái)濤+周震源

摘 要：碳/碳復(fù)合材料以自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)（質(zhì)量輕、耐磨、耐高溫、強(qiáng)度高等），一直以來(lái)廣泛應(yīng)用于軍工、航空航天等領(lǐng)域。但其物理、化學(xué)性能，使材料在加工過(guò)程中呈現(xiàn)分層、崩塊、回彈、撕裂等現(xiàn)象，促使加工表面產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷。為有效解決上述問(wèn)題，文章采用聚晶金剛石（PCD）立銑刀對(duì)碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，得出了較為理想的理論結(jié)果，為相關(guān)的工程研究提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；數(shù)控；銑削力

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ327.3；TG54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）27-0168-02

1 引 言

碳/碳復(fù)合材料因其自身優(yōu)良性能在工業(yè)各領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家在此投入了大量精力用于相關(guān)技術(shù)的研究。近年來(lái)，隨著國(guó)家國(guó)防建設(shè)的需要，如：航空航天、軍事裝備等，對(duì)碳及其復(fù)合材料提出了越來(lái)越高的要求，相應(yīng)制品的加工精度及表面質(zhì)量已成為影響其應(yīng)用性能的關(guān)鍵因素。此外，隨著碳及其復(fù)合材料制備工藝的日趨完善，其材料性能得到了較大改善，而材料加工能力未得到較大發(fā)展，致使加工技術(shù)阻礙了碳及其復(fù)合材料的發(fā)展。

我國(guó)對(duì)碳及其復(fù)合材料方面的研究較早，但由于其性能分析、制備及工藝相對(duì)落后，因此跟發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在較大差距，尤其在一些相關(guān)領(lǐng)域（如航空航天、軍工）。因此，急需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出一種科學(xué)方法，用來(lái)改善銑削加工碳/碳復(fù)合材料機(jī)理和工藝。這對(duì)于我國(guó)復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 銑削力模型建立

切削過(guò)程中，切削力是一項(xiàng)重要的物理參數(shù)，它是工件在加工過(guò)程中抵抗刀具切削而形成的阻力。切削力在加工過(guò)程中會(huì)使得刀具、工件變形，機(jī)床震動(dòng)，甚至產(chǎn)生的切削熱會(huì)使得表面加工質(zhì)量下降、刀具使用壽命縮短等。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，切削力是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，如機(jī)床設(shè)計(jì)，刀具設(shè)計(jì)，夾具設(shè)計(jì)及動(dòng)力消耗設(shè)計(jì)等。在實(shí)際生產(chǎn)加工中，切削力是一項(xiàng)重要的監(jiān)控指標(biāo)，如檢測(cè)刀具磨損及表面加工質(zhì)量等。因此，對(duì)切削力的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，如果能建立合適的切削力模型，來(lái)預(yù)測(cè)切削力變化，不僅可以降低切削加工的實(shí)驗(yàn)成本，而且對(duì)加工工藝的合理選擇也具有一定作用，為實(shí)際生產(chǎn)效率的提高具有重要指導(dǎo)意義。

2.1 直齒銑刀銑削力建模

順銑及逆銑加工示意圖，分別如圖1和圖2所示。整個(gè)銑削過(guò)程中刀齒經(jīng)歷切入及切出材料階段。

由相關(guān)理論公式推導(dǎo)，可以得出式（1），通過(guò)上式可以預(yù)測(cè)加工過(guò)程中的銑削力。

2.2 螺旋齒銑刀的銑削力計(jì)算

采用螺旋立銑刀進(jìn)行銑削加工時(shí)，刀刃上各點(diǎn)的切削狀態(tài)均不相同，如圖3所示。

為了求得螺旋曲線AD產(chǎn)生的總切削力，將微元切削力沿該螺旋槽參與加工的部分進(jìn)行積分可得式（2）。 總銑削力可以通過(guò)各齒銑削力求和得出，而以上各銑削力計(jì)算可以通過(guò)計(jì)算機(jī)編程求得。

3 銑削力試驗(yàn)

此次實(shí)驗(yàn)的機(jī)床設(shè)備是數(shù)控加工銑床，該銑床由北京航空航天大學(xué)自主研制，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘5 000轉(zhuǎn)，該機(jī)床實(shí)物圖，如圖4所示。該實(shí)驗(yàn)采用2齒的PCD直齒立銑刀，其直徑為10 mm，刀具實(shí)物圖，如圖5所示。試驗(yàn)工件材料為碳/碳復(fù)合材料，如圖6所示。本試驗(yàn)中采用的應(yīng)變測(cè)力儀是SDC-C4F型通用測(cè)力儀，該儀器由北京航空航天大學(xué)研制。

為了減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)且不降低可行度，該實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)方法。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可利用極差、方差及回歸的分析方法得出很多有價(jià)值的結(jié)論。

在實(shí)際的銑削加工中，銑削力在三個(gè)方向呈現(xiàn)的數(shù)值是隨著刀具轉(zhuǎn)角變化而變化的。目前，國(guó)內(nèi)外都是以切削力最大值作為研究對(duì)象。通過(guò)計(jì)算，這里分別列出了9組實(shí)驗(yàn)中三個(gè)方向的切削力最大值Fx、Fy、Fz，見(jiàn)表1。

4 銑削力影響因素分析

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)單處理，作正交試驗(yàn)結(jié)果直觀表，見(jiàn)表2，直觀分析圖，如7、圖8和圖9所示。

根據(jù)正交試驗(yàn)直觀分析表（表2）可知，對(duì)于切削力Fx、Fy、Fz，極差值大小順序依次為銑削寬度、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速。說(shuō)明銑削寬度對(duì)三向切削力的影響最大，其次是進(jìn)給速度，主軸轉(zhuǎn)速最小。

通過(guò)觀察圖7至圖9的切削力圖，可以得出：1.試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，切削力與主軸轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，即轉(zhuǎn)速變化切削力不變，該現(xiàn)象說(shuō)明主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響可以忽略不計(jì)；2.進(jìn)給速度及銑削寬度對(duì)切削力影響較大，且成正比關(guān)系，即進(jìn)給速度及銑削寬度越大，切削力越大。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用聚晶金剛石（PCD）立銑刀對(duì)碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，得出了切削力與主軸轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，而與進(jìn)給速度及銑削寬度有較大聯(lián)系；并通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出了銑削力數(shù)值，驗(yàn)證了銑削力解析模型的可靠性，為后續(xù)的工程研究提供了理論參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫效燕.瀝青基炭材料炭化模型研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[2] 肖志英.炭纖維增強(qiáng)熱解炭和COPNA樹(shù)脂炭基體復(fù)合材料用于減摩材 料的探索研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2006.

[3] 羅瑞盈.碳/碳復(fù)合材料制備工藝及研究現(xiàn)狀[J].兵器材料科學(xué)與工程， 1998， 21（1）： 64-70.