基于響應(yīng)曲面法的CFRP高速銑削切削力試驗(yàn)研究

禹 杰, 林有希,2, 林 華

(1.福州大學(xué) 機(jī)電工程實(shí)踐中心,福建 福州 350108； 2.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,福建 福州 350108)

基于響應(yīng)曲面法的CFRP高速銑削切削力試驗(yàn)研究

禹 杰1, 林有希1,2, 林 華1

(1.福州大學(xué) 機(jī)電工程實(shí)踐中心,福建 福州 350108； 2.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,福建 福州 350108)

切削力是高速切削過程中重要物理量之一,直接影響到加工質(zhì)量和刀具壽命。文章采用中心復(fù)合響應(yīng)曲面法建立了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)高速銑削過程切削力模型,并用方差分析對模型及回歸系數(shù)進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn),分析了主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給和切削深度對切削力的影響規(guī)律,為高速銑削過程中切削參數(shù)的選擇及切削力的控制提供了試驗(yàn)依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明:該模型能較好地預(yù)測切削力,切削深度和每齒進(jìn)給對切削力的影響較大,切削力隨著切削深度或每齒進(jìn)給的增大而增大,主軸轉(zhuǎn)速則對切削力影響不是很大。

響應(yīng)曲面法;碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP);高速銑削;切削力

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)是以樹脂為基體,嵌入高性能的碳纖維所制成的材料,是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。CFRP因輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、良好的抗疲勞特性和抗振性能、易于大面積整體成形以及熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn),被廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料,從以前主要集中在航空航天和代表科技前沿的軍事領(lǐng)域,逐步拓展到汽車、建筑、體育休閑等行業(yè)。但是因?yàn)镃FRP的各向異性、非均勻性、導(dǎo)熱性差以及硬度高等特性,在高速切削過程中,過高的切削力會(huì)使功率消耗增大,切削溫度上升,熱力耦合作用使得刀具劇烈磨損,大大縮短了刀具的壽命,而且極易產(chǎn)生材料表面分層、毛刺等缺陷[1-5],所以制約了高速切削CFRP加工技術(shù)的推廣應(yīng)用。

近年來,國外學(xué)者從表面完整性、刀具性能以及切削性能等方面對CFRP切削過程進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[6]研究了纖維方向?qū)FRP表面質(zhì)量的影響,纖維方向?yàn)?°和45°時(shí)表面較為光滑,而在-45°和90°時(shí)則局部存在裂紋,表面較為粗糙,同時(shí)由于切削過程的熱機(jī)械載荷導(dǎo)致纖維朝著切削方向且靠近已加工表面彎曲;文獻(xiàn)[7]也提出CFRP的表面形貌主要與纖維方向有關(guān),當(dāng)纖維方向?yàn)?°時(shí)所受損傷最小且表面質(zhì)量最佳,還提出粗糙度值隨著進(jìn)給速度增加而增加,隨著切削速度增加而減小[7-10];文獻(xiàn)[11]在CFRP銑削過程中采用冷空氣對刀具進(jìn)行冷卻,與常溫加工相比,在較高的切削速度和進(jìn)給率時(shí)刀具磨損較小,材料損傷程度輕且表面粗糙度值低,刀具壽命更長;文獻(xiàn)[12]通過方差分析得出進(jìn)給率、切削速度以及兩者的交互因素對切削力有顯著的影響,并運(yùn)用后向消元法選擇參數(shù)變量的數(shù)學(xué)模型,將模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)兩者具有很高的擬合度。國內(nèi)對CFRP切削的研究較少,文獻(xiàn)[13]分析了不同刀具的磨損機(jī)理和切削用量對刀具磨損的影響;文獻(xiàn)[14]研究了纖維方向?qū)庸べ|(zhì)量的影響;文獻(xiàn)[15]通過有限元分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方式對材料基體破壞及亞表層損傷機(jī)制進(jìn)行了研究。

本文基于響應(yīng)曲面法,采用硬質(zhì)合金刀具對CFRP進(jìn)行高速銑槽實(shí)驗(yàn),研究了切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律,使用回歸分析得到切削力的預(yù)測模型,為CFRP高速銑削過程中切削參數(shù)的選擇以及切削力的控制提供了一定的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)置及銑削力測量

1.1 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

響應(yīng)曲面法是一種結(jié)合數(shù)學(xué)應(yīng)用、統(tǒng)計(jì)分析和試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)來探討影響因子與響應(yīng)輸出之間的數(shù)學(xué)模型關(guān)系,其目的是尋找優(yōu)化區(qū)域,建立優(yōu)化區(qū)域的模型,從而找到響應(yīng)的優(yōu)化值。響應(yīng)曲面法的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有很多,其中Box-Behnken 設(shè)計(jì)和中心復(fù)合設(shè)計(jì)是應(yīng)用最廣泛的。

本試驗(yàn)采用中心復(fù)合設(shè)計(jì),以主軸轉(zhuǎn)速n、每齒進(jìn)給量fz、切削深度ap為因子進(jìn)行多因子試驗(yàn),由于機(jī)床振動(dòng)和軸向跳動(dòng)等原因易造成Fz的無規(guī)律跳動(dòng),以切削力(Fx,Fy)為響應(yīng)輸出,按三因子設(shè)計(jì)試驗(yàn),制定的因子水平編碼見表1所列。

表1 因子水平編碼

1.2 試驗(yàn)條件及過程

本試驗(yàn)試件材料為CFRP層壓板,基體材料為環(huán)氧樹脂,增強(qiáng)材料為T300型碳纖維,纖維是由0°和90°編織布疊層鋪設(shè)而成,尺寸為100mm×170mm×5mm,其機(jī)械物理性能為:纖維體積分?jǐn)?shù)67%;抗拉強(qiáng)度2 690MPa;抗拉模量165GPa;密度1.625g/cm3。

試驗(yàn)采用SXDK6050D數(shù)控雕銑機(jī),最高主軸轉(zhuǎn)速n=24 000 r/min,最大進(jìn)給速度vf=6 000 mm/min,刀具為K20整體硬質(zhì)合金立銑刀,直徑d=8 mm,兩齒。加工方式為銑槽,銑削方式為順銑,采用干切削。切削力測量系統(tǒng)由Kistler9257B動(dòng)態(tài)測力儀、電荷放大器Kistler 5007以及dynoware數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成,如圖1a所示。為了降低試驗(yàn)的偶然性與誤差,每組試驗(yàn)參數(shù)加工3次,切削力值為穩(wěn)定切削階段連續(xù)25個(gè)峰值的平均值。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖1b所示。

圖1 切削力試驗(yàn)平臺(tái)和試驗(yàn)現(xiàn)場

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用Design Expert軟件,共有20組試驗(yàn)參數(shù),其中8組為因子設(shè)計(jì),6組為軸向點(diǎn)設(shè)計(jì),6組為中心點(diǎn)設(shè)計(jì),取軸向點(diǎn)α=1.682。試驗(yàn)編碼及切削力測量結(jié)果見表2所列,切削力波形的局部放大圖如圖2所示。由圖2可以看出,切削力呈現(xiàn)周期性,說明切削過程較為平穩(wěn)。

表2 試驗(yàn)編碼及切削力測量結(jié)果

圖3 切削力波形局部放大圖

2.2 切削力模型回歸及檢驗(yàn)

對表2試驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行逐步回歸分析,建立二階響應(yīng)模型,得到Fx、Fy的二次多元回歸方程如下(編碼值為自變量,其中n、fz、ap的編碼值分別為A、B、C):

Y1=131.34+7.25A+29.59B+52.76C+

4.24AB-0.84AC+13.36BC+0.98A2-

4.49B2-11.77C2

(1)

Y2=105.73-10.42A+28.48B+41.99C-

0.15AB-14.65AC+10.80BC+1.67A2-

4.17B2-9.35C2

(2)

實(shí)際切削參數(shù)為自變量的回歸方程如下:

Fx=-0.24-6.61×10-3n-442.58fz+

78.97ap+0.11nfz-4.19×10-4nap+

668.13fzap+2.44×10-7n2-

11 214.51fz2-11.77ap2

(3)

Fy=-98.67-2.08×10-3n+1 229.73fz+

160.33ap-3.75×10-3nfz-

7.33×10-3nap+540.00fzap+

4.17×10-7n2-10 417.88fz2-9.35ap2

(4)

對所建立的切削力回歸模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表3所列。由表3可知,Fx與Fy所建立的回歸模型極其顯著,模型失擬不顯著;Fx與Fy模型的R2值分別為0.995 4和0.997 0,調(diào)整后的R2值分別為0.991 2和0.994 2,說明該二階響應(yīng)模型擬合效果較好。再通過比較表2中的響應(yīng)值與預(yù)測值可知,Fx、Fy的實(shí)際測量值與二階響應(yīng)模型的預(yù)測值較為接近,這說明本文所建立的二階響應(yīng)模型是有效的,可以根據(jù)切削參數(shù)對加工過程的切削力做出較為準(zhǔn)確的預(yù)測。

對回歸模型的回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),結(jié)果見表4所列。由表4可知:在Fx模型中,一次項(xiàng)B、一次項(xiàng)C、交互項(xiàng)BC以及二次項(xiàng)C2極其顯著,除交互項(xiàng)AC和二次項(xiàng)A2不顯著外,其他項(xiàng)都為顯著;在Fy模型中,3個(gè)一次項(xiàng)、交互項(xiàng)AC、BC以及二次項(xiàng)C2為極其顯著,二次項(xiàng)B2為顯著,其余都為不顯著。

表3 方差分析

表4 回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

2.3 切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律

切削參數(shù)對切削力影響的響應(yīng)曲面如圖3所示。由圖3a可以看出,Fx隨著主軸轉(zhuǎn)速n的增加而增加,但是增加的趨勢較為平緩,這是由于隨著主軸速度的增大,刀刃單位時(shí)間內(nèi)切除材料的次數(shù)增大,硬質(zhì)碳纖維對刀具表面的刻劃與摩擦加劇,導(dǎo)致切削力上升,同時(shí)轉(zhuǎn)速的升高會(huì)使銑削溫度升高,材料發(fā)生熱軟化,摩擦力、切削抗力減小;而在圖3c中,Fy隨著主軸轉(zhuǎn)速n的增加有減小的趨勢,由于溫度升高,剪切區(qū)域工件材料的剪切強(qiáng)度降低,刀具前刀面與切屑的摩擦系數(shù)減小[16],而使切削力下降。

由圖3a和圖3c可知,Fx、Fy隨著每齒進(jìn)給量fz的增加而增加;由于每齒進(jìn)給量的增加,每齒切入工件的切削厚度增加,單位時(shí)間銑削的體積增加,使得切削力增大。

由圖3b和圖3d可知,Fx、Fy隨著切削深度ap的增加而增加,且增大趨勢較為明顯;由于銑削深度的增加,銑刀直接參與切削的切削刃長度增加,銑削面積與摩擦面積變大,從而使切削力大大增加。

圖3 交互項(xiàng)對切削力影響的響應(yīng)曲面(其他參數(shù)在0 水平)

從圖3還可以看出,Fx、Fy在每齒進(jìn)給量fz與切削深度ap的交互作用下,由于每齒厚切削度與切削面積的增加,切削力呈現(xiàn)大幅增加的趨勢,在切削參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)避免大進(jìn)給與大切深。切削深度ap對切削力的影響程度最大,每齒進(jìn)給量fz其次,主軸轉(zhuǎn)速n最小,這與之前回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)的結(jié)果是一致的。為了獲得較小的切削力并保證加工效率,可以選擇較大的主軸轉(zhuǎn)速,適中的每齒進(jìn)給量以及較小的切削深度。

3 結(jié) 論

(1) 本文應(yīng)用響應(yīng)曲面法建立的CFRP高速銑削切削力模型是顯著的,模型的響應(yīng)值與預(yù)測值非常接近,可以有效預(yù)測銑削過程中的切削力。

(2)Fx隨著主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、銑削深度的增加而增加;Fy隨著每齒進(jìn)給量、銑削深度的增加而增加,而隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小。

(3) 切削深度ap對切削力的影響程度最大,每齒進(jìn)給量fz次之,主軸轉(zhuǎn)速n最小。

(4) 交互項(xiàng)對切削力有著顯著的影響,在切削參數(shù)優(yōu)化選擇時(shí),應(yīng)綜合全面考慮。

[1] TSAO C C,CHEN W C.Prediction of the location of delamination in the drilling of composite laminates[J].Journal of Materials Processing Technology,1997,70(1/2/3):185-189.

[2] DAVIM J P,REIS P.Damage and dimensional precision on milling carbon fiber-reinforced plastics using design experiments[J].Journal of Materials Processing Technology,2005,160(2):160-167.

[3] KHASHABA U A.Delamination in drilling GFR-thermoset composites[J].Composite Structures,2004,63(3/4):313-327.

[5] RAMULU M.Machining and surface integrity of fibre-reinforced plastic composites[J].Sādhanā,1997,22(3):449-472.

[6] PECAT O,RENTSCH R,BRINKSMEIER E.Influence of milling process parameters on the surface integrity of CFRP[J].Procedia CIRP,2012,1: 466-470.

[7] GONG Y H,YANG N H,HAN S,et al.Surface morphology in milling multidirectional carbon fiber reinforced polymer laminates[J].Advanced Materials Research,2013,683:158-162.

[8] KONNEH M,IZMAN S,DZAHI PADIL M E,et al.Surface roughness study of milled carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composite using 4 mm 2-flute titanium aluminum nitride (TiAlN) coated carbide end mills[J].Advanced Materials Research,2014,887/888:1101-1106.

[9] KUSUYAMA J,YUI A,KITAJIMA T,et al.Face milling of carbon fiber reinforced plastic using poly crystalline diamond tool[J].Advanced Materials Research,2014,1017:383-388.

[10] JENARTHANAN M P,JEYAPAUL R.Evaluation of milling characteristics of resin hybrid GFRP laminates using Taguchi approach[J].Pigment and Resin Technology,2013,42(5):288-297.

[11] NOR KHAIRUSSHIMA M,CHE HASSAN C,JAHARAH A,et al.Effect of chilled air on tool wear and workpiece quality during milling of carbon fibre-reinforced plastic[J].Wear,2013,302(1/2): 1113-1123.

[12] SLAMANI M,GAUTHIER S,CHATELAIN J F.A study of the combined effects of machining parameters on cutting force components during high speed robotic trimming of CFRPs[J].Measurement,2015,59:268-283.

[13] 葉銜真,王大鎮(zhèn),劉菊東,等.銑削碳纖維復(fù)合材料刀具磨損試驗(yàn)研究[J].機(jī)電技術(shù),2014(3):75-77.

[14] 張秀麗,謝朝暉,張恒.纖維方向?qū)?fù)合材料加工質(zhì)量影響的試驗(yàn)研究[J].中國機(jī)械工程,2009,20(21):2617-2620.

[15] 路冬,李志凱,融亦鳴,等.基于宏觀各向異性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的切削仿真[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2014,31(3):584-590.

[16] 艾興,劉戰(zhàn)強(qiáng),趙軍,等.高速切削加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Experimental study of cutting force in high-speed milling of CFRP by response surface methodology

YU Jie1, LIN Youxi1,2, LIN Hua1

(1.Mechanical and Electrical Engineering Practice Center, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China; 2.College of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Cutting force is one of the most important parameters influencing the machining quality and tool life in high-speed cutting. To provide experimental basis for milling parameter optimization and milling force control, the force model for high-speed milling of carbon fiber reinforced polymer(CFRP) is established by central composite response surface methodology. Then the analysis of variance is applied to checking the significances of the milling force model and the regression coefficients. The effect of spindle speed, feed per tooth and cutting depth on milling force is also studied. The results show that the model can predict the cutting force effectively. The depth of cut and feed per tooth have obvious influence on cutting force. The cutting force increases with the increase of feed per tooth or depth of cut. And the influence of spindle speed on cutting force is not great.

response surface methodology; carbon fiber reinforced polymer(CFRP); high-speed milling; cutting force

2015-08-10；

2015-12-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375094);福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013J0101)

禹 杰(1990-),男,浙江寧波人,福州大學(xué)助理工程師； 林有希(1967-),男,福建福州人,博士,福州大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.002

TG506.1

A

1003-5060(2017)04-0438-05