GFRP銑槽加工銑削力及表面粗糙度研究*

鄭 凱 ，陳 燕 ，晏超仁 ，梁宇紅

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

GFRP是當(dāng)今廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料之一，具有比強(qiáng)度高、比模量大、熱膨脹系數(shù)低和耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天和社會(huì)生產(chǎn)生活中的重要性正在不斷提高。但是，由于GFRP中樹脂基體和玻璃纖維增強(qiáng)體材料性能上的差異，導(dǎo)致其加工過(guò)程中容易出現(xiàn)加工質(zhì)量差、刀具磨損快等問(wèn)題[1-2]。

銑削力是加工過(guò)程中不可忽略的因素，力的大小不僅可以反映出刀具與工件之間的相互干涉程度，還對(duì)加工表面完整性、刀具磨損等都有較大影響。Hu等[3]對(duì)單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的磨削力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明磨削力與纖維方向角有關(guān)。這一結(jié)論也被張秀麗等[4]認(rèn)可。邢光等[5]通過(guò)金剛石刀具高速銑削CFRP材料的正交試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在高速切削條件下，減小切削力宜采用小進(jìn)給量和切深、增加走刀次數(shù)的方式。

另外，表面粗糙度是工件加工表面質(zhì)量指標(biāo)中的一個(gè)重要評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)零件的裝配精度也有直接的影響。Azmi等[6]對(duì)GFRP銑削的正交試驗(yàn)研究表明，表面粗糙度的影響因素主要為進(jìn)給速度，其次為轉(zhuǎn)速，切深基本可以忽略。Mathivanan等[7]認(rèn)為在GFRP層壓板銑削時(shí)需使用較低的進(jìn)給速度和較高的轉(zhuǎn)速來(lái)獲得較好的加工質(zhì)量。

由于金剛石具有高硬度和高耐磨性，釬焊工藝相比于電鍍和燒結(jié)可大大提高金剛石與結(jié)合劑之間的結(jié)合強(qiáng)度，具有更好的加工性能，延長(zhǎng)刀具使用壽命，因此釬焊金剛石刀具作為一種新型的刀具制作方法在國(guó)內(nèi)外受到廣泛關(guān)注[8]。

為了能夠提高GFRP加工質(zhì)量和刀具耐用度，有必要加深對(duì)銑削力及表面粗糙度的研究，并對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)外對(duì)于釬焊金剛石銑磨刀具加工研究較少，而且對(duì)于粗糙度評(píng)價(jià)多以二維線粗糙度來(lái)評(píng)定，并不能很好地反映材料表面的微觀形貌。因此，本文使用自制的釬焊金剛石銑磨刀具對(duì)GFRP材料進(jìn)行銑槽加工，研究了加工參數(shù)對(duì)銑削力和表面粗糙度的影響。表面粗糙度以三維面粗糙度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，能更準(zhǔn)確地反映表面特征，并建立了銑削力和表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式，為合理選擇GFRP材料加工參數(shù)提供依據(jù)。

試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)所用的加工機(jī)床為DMG Ultrasonic 20 linear立式數(shù)控加工中心，如圖1所示。工件裝夾如圖2所示。試驗(yàn)采用干式切削，并使用吸塵器吸除粉塵，試驗(yàn)中所使用的三因素四水平正交試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)所用刀具為自制釬焊金剛石銑磨刀具，直徑d=2.6mm，磨粒粒徑 90～100μm，排數(shù)為 6，螺旋角為45°，如圖3所示。

試驗(yàn)中所用的GFRP材料為編織結(jié)構(gòu)，材料為357改性雙馬來(lái)酰亞胺玻璃布板，其垂直層向彎曲強(qiáng)度為580MPa，拉伸強(qiáng)度420MPa，樹脂含量為38%，尺寸為145mm×16mm×6mm。

試驗(yàn)過(guò)程中采用Kistler 9272型測(cè)力傳感器、5070A電荷放大器以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對(duì)銑削力進(jìn)行采集，并使用非接觸式3D光學(xué)成像輪廓儀對(duì)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

圖1 DMG Ultrasonic 20 linear立式數(shù)控加工中心Fig.1 DMG Ultrasonic 20 linear vertical CNC machining center

圖2 工件裝夾示意圖Fig.2 Sketch of workpiece clamping

表1 正交試驗(yàn)參數(shù)表

圖3 釬焊金剛石刀具Fig.3 Brazed diamond tool

試驗(yàn)結(jié)果與討論

表2和表3分別為GFRP正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表和極差分析表，其中Fx為垂直于進(jìn)給方向的銑削力；Fy為沿著進(jìn)給方向的銑削力；Fz為軸向的銑削力；Sa為加工底面的粗糙度；k1表示各因素下的水平1的平均值，k2、k3、k4以此類推，如Fx中的數(shù)值4.397N表示進(jìn)給速度這個(gè)因素下的水平2（即250mm/min）所對(duì)應(yīng)的4個(gè)Fx值的平均值；R表示極差值，為k1、k2、k3、k4中最大值與最小值之差。

通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析，可確定加工參數(shù)對(duì)銑削力的影響程度：極差越大，說(shuō)明該加工參數(shù)數(shù)值的變化對(duì)銑削力的影響越大。如表2所示，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和軸向切深中對(duì)銑削力Fx的極差分別為 4.522N、3.710N 和 5.730N，對(duì)Fy的極差分別為7.836N、7.267N和13.393N，對(duì)Fz的極差分別為6.288N、6.444N和 8.507N。 因 此，對(duì)于銑削力Fx和Fy，影響程度的主次關(guān)系依次為軸向切深＞主軸轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度，而對(duì)于Fz，影響程度的主次關(guān)系依次為軸向切深＞進(jìn)給速度＞主軸轉(zhuǎn)速。對(duì)表面粗糙度的極差分別為 1.890μm，0.411μm 和0.243μm，影響程度的主次關(guān)系依次為主軸轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度＞軸向切深。

表2 GFRP正交試驗(yàn)銑削力數(shù)據(jù)極差分析表

1 銑削力分析

1.1 加工參數(shù)對(duì)銑削力的影響分析

圖4（a）為主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削力的影響，可以看出銑削力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小。這是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，銑磨刀具上磨粒與工件之間的摩擦加劇，銑削溫度隨之升高，樹脂基體發(fā)生軟化現(xiàn)象，從而使得樹脂與玻璃纖維之間的結(jié)合力顯著減小，所以導(dǎo)致銑削力減小。還可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，銑削力的減小幅度逐漸變小。

表3 GFRP正交試驗(yàn)極差分析表

圖4（b）為進(jìn)給速度對(duì)銑削力的影響，可以看出銑削力隨著進(jìn)給速度的增加而增大。這是由于在主軸轉(zhuǎn)速和軸向切深保持不變的情況下，隨著刀具進(jìn)給速度的增加，單顆磨粒所去除的材料增多。還可以看出，隨著進(jìn)給速度的增大，銑削力的增大幅度逐漸變大，這是因?yàn)檫M(jìn)給速度增大使得切屑的排出越來(lái)越困難，同時(shí)進(jìn)給速度大的其對(duì)應(yīng)的材料去除變化量也大，使得銑削力的增大幅度變大。

圖4（c）為軸向切深對(duì)銑削力的影響，可以看出銑削力隨著軸向切深的增加而增大。這是由于隨著軸向切深的增加，單位時(shí)間內(nèi)參與銑削的磨粒數(shù)增多，去除的材料體積增加，且排屑更加困難；另外由磨削原理[9]，一個(gè)磨粒的未變形切屑最大厚度agmax如公式（1）所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著軸向切深的增大，單顆磨粒所切除材料的厚度是不斷增加的。

式中，λ為兩顆磨粒的周向間距，vw為銑磨刀具進(jìn)給速度，vs為銑磨刀具線速度，ap為軸向切深，ds銑磨刀具直徑。

從圖4中還可以看出，銑削力Fx和Fz的變化趨勢(shì)明顯小于銑削力Fy，F(xiàn)x和Fz基本呈線性變化，而Fy的變化幅度隨著軸向切深的增大而變大，說(shuō)明軸向切深對(duì)Fy的影響最大。

1.2 建立銑削力經(jīng)驗(yàn)公式

為了定量地研究加工參數(shù)對(duì)銑削力的影響，需要建立銑削力經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)切削原理,影響銑削力F的因素為主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf和軸向切深ap。F與n、vf、ap的關(guān)系式為：

式中，F(xiàn)為銑削力，CF為銑削相關(guān)系數(shù)，x1、x2、x3分別為指數(shù)。在公式（2）兩邊分別取對(duì)數(shù)，可得：

利用Matlab軟件，建立銑削力與銑削參數(shù)之間的關(guān)系，最終得到銑削力經(jīng)驗(yàn)公式：

以銑削力為衡量指標(biāo)，經(jīng)篩選，最佳加工參數(shù)為B4C1D1，即n=9000r/min,vf=200mm/min,ap=0.2mm，在該加工參數(shù)下，測(cè)得的銑削力穩(wěn)定階段的平均值與經(jīng)驗(yàn)值對(duì)比如表4所示，銑削力的測(cè)量如圖5所示。結(jié)果表明，銑削力的誤差范圍均在20%以內(nèi)，因此該經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)銑削力有較好的預(yù)測(cè)能力。

表4 銑削力測(cè)量值與經(jīng)驗(yàn)值對(duì)比表

圖4 加工參數(shù)對(duì)銑削力的影響Fig.4 Effect of machining parameters on milling force

圖5 銑削力測(cè)量圖Fig.5 Diagram of milling force measurement

2 表面粗糙度分析

Wang等[10]通過(guò)對(duì)CFRP加工表面粗糙度的分析發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)合材料的各向異性和不均勻性，接觸式測(cè)量測(cè)得的線粗糙度值有較大的隨機(jī)性，并不能很好地表征加工表面粗糙度。Azmi等[6]通過(guò)對(duì)GFRP的試驗(yàn)研究支持此結(jié)論。因此，本文使用基于高度特征的三維面粗糙度評(píng)定參數(shù)Sa作為粗糙度的評(píng)定參數(shù)。

2.1 加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響分析

圖6（a）為主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響，可以看出粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?500r/min增加到9000r/min時(shí)，粗糙度由 4.21μm 降低到了 2.32μm，降幅達(dá)44.89%，說(shuō)明在銑削參數(shù)范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速的降低能顯著減小加工底面的粗糙度。分析原因，主要在于隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，刀具與工件接觸區(qū)的溫度升高，樹脂基體發(fā)生軟化，覆蓋在纖維表面，使得一些有小凹坑的表面更加平整，導(dǎo)致表面粗糙度降低。

圖6（b）為進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響?？梢钥闯觯捍植诙入S進(jìn)給速度的增大而增大，當(dāng)進(jìn)給速度從200mm/min增大到350mm/min時(shí)，粗糙度由3.126μm增大到3.404μm，增幅為8.89%。這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)給速度較低時(shí)，刀具與工件的接觸時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于同一表面，單位時(shí)間內(nèi)參與加工的磨粒數(shù)較多，有利于形成良好的表面，使得粗糙度降低。隨著進(jìn)給速度的逐漸增加，刀具與工件接觸的時(shí)間越來(lái)越短，可能造成纖維未完全切斷；同時(shí)由于進(jìn)給速度的增大，使得切屑的排出變得困難，更多的切屑堆積在加工底面，清理切屑時(shí)不可能完全清除，這也在一定程度上造成表面粗糙度的增大。

圖6（c）為軸向切深對(duì)表面粗糙度的影響。可以看出：隨著軸向切深的增大，粗糙度先略有降低再升高，當(dāng)軸向切深為0.3mm時(shí)粗糙度最低，此時(shí)的粗糙度值Sa=3.253μm。當(dāng)軸向切深從0.3mm增大到0.5mm時(shí)，粗糙度從3.253μm增大到了 3.537μm，增幅為8.73%，增幅并不大，說(shuō)明軸向切深對(duì)粗糙度的影響較小，這主要是由于所測(cè)粗糙度為加工底面的粗糙度，而非側(cè)面的，在主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度不變的情況下，粗糙度的大小主要與刀具端面磨粒有關(guān)，與軸向切深的大小關(guān)系不大。

2.2 建立粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式

與上文銑削力經(jīng)驗(yàn)公式類似，粗糙度Sa與n、vf、ap的關(guān)系式為：

在式兩邊取對(duì)數(shù)得：

利用Matlab軟件，建立表面粗糙度與加工參數(shù)之間的關(guān)系，最終得到表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式：

以表面粗糙度為衡量指標(biāo)，經(jīng)篩選，最佳加工參數(shù)為B4C1D2，即n=9000r/min，vf=200mm/min，ap=0.3mm，但是由上文的分析可知，軸向切深對(duì)表面粗糙度的影響較小，切深0.2mm與切深0.3mm時(shí)的粗糙度只相差0.049μm，因此選擇在加工參數(shù)分別為n=9000r/min，vf=200mm/min，ap=0.2mm下驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的正確性，測(cè)得的粗糙度值為2.6541μm，而經(jīng)驗(yàn)值為 2.2960μm，兩者的誤差為15.60%。表面粗糙度的測(cè)量圖如圖7所示，測(cè)量區(qū)域面積為0.88mm×1.25mm，測(cè)得表面粗糙Sa為2.6541μm。結(jié)果表明，表面粗糙度Sa的誤差在20%以內(nèi)，因此該經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)表面粗糙度有較好的預(yù)測(cè)能力。

圖6 加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響Fig.6 Effect of machining parameters on surface roughness

結(jié)論

（1）加工參數(shù)中對(duì)銑削力和表面粗糙度影響最大的分別是軸向切深和主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度對(duì)兩者的影響都相對(duì)較小。對(duì)于本試驗(yàn)的GFRP材料，綜合考慮銑削力和表面粗糙度，適宜采用的加工參數(shù)分別為n=9000r/min，vf=200mm/min，ap=0.2mm。

（2）在正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)回歸的方法，建立了銑削力、表面粗糙度與加工參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)銑削力和表面粗糙度有較好的預(yù)測(cè)能力。

圖7 表面粗糙度測(cè)量圖Fig.7 Diagram of surface roughness measurement

參 考 文 獻(xiàn)

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