碳纖維復(fù)合材料小孔加工的試驗(yàn)研究

溫 泉，趙 悅，鞏亞東

（東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

隨著碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱：碳纖維復(fù)合材料）在航空、航天、國防等高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛[1]，滿足其連接裝配要求的制孔加工成為一項(xiàng)繁重而重要的工作[2-3]，制孔質(zhì)量將直接影響復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能與可靠性[4]。由于組成材料碳纖維和樹脂在力學(xué)和物理性能上差別較大以及鋪層結(jié)構(gòu)層間強(qiáng)度低等不利于加工的特點(diǎn)，使復(fù)合材料在制孔加工時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，易產(chǎn)生毛刺、分層等加工缺陷，制孔質(zhì)量和精度很難保證[5-6]。為實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高質(zhì)量制孔加工，很多學(xué)者通過大量的理論與試驗(yàn)研究，探討了工藝參數(shù)、刀具角度、刀具磨損等因素對(duì)切削力和制孔質(zhì)量等的影響。文獻(xiàn)[7]通過回歸分析方法獲得了鉆削參數(shù)即切削速度與進(jìn)給速度之比對(duì)鉆削力和扭矩影響的關(guān)系式。文獻(xiàn)[8]以主軸轉(zhuǎn)速、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和鉆頭橫刃偏心系數(shù)為決策變量，建立了復(fù)合材料鉆削加工的參數(shù)優(yōu)化模型，得到滿足鉆削質(zhì)量條件下最大材料去除率時(shí)的鉆削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速15000r/min，進(jìn)給量0.02965mm/r。文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，刀具磨損的原因主要是磨粒磨損，隨著刀具磨損的加劇，軸向力持續(xù)增加，控制刀具磨損是減小軸向力最有效的手段之一。

目前國內(nèi)外對(duì)碳纖維復(fù)合材料制孔加工方面的研究，大多針對(duì)直徑5mm以上的常規(guī)尺寸制孔，而對(duì)其小直徑孔加工方面的研究較少。輕量化、小型化是高新技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)，輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料在這種趨勢(shì)下具有廣闊的應(yīng)用前景。微小零件和器件在連接裝配時(shí)必須進(jìn)行大量的制孔加工，小孔的需求日趨廣泛，對(duì)小孔加工精度的要求也日益提高。然

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

而，小孔加工具有排屑困難、刀具剛度低等特點(diǎn)，使復(fù)合材料的加工環(huán)境進(jìn)一步惡化，從而加劇了加工損傷程度，制孔表面質(zhì)量和尺寸精度更難保證。因此，以碳纖維復(fù)合材料的小孔加工為研究對(duì)象，通過開展碳纖維復(fù)合材料的小孔鉆削試驗(yàn)，研究鉆削工藝參數(shù)、刀具磨損等因素對(duì)切削力和制孔質(zhì)量的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)材料和方案

2.1 試驗(yàn)材料與刀具

試驗(yàn)用的工件材料為T300碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料疊層板，板厚5mm，碳纖維體積分?jǐn)?shù)約為60%±5%。試驗(yàn)所用刀具為直徑Φ3mm的YG6硬質(zhì)合金麻花鉆，刀具主要參數(shù)，如表1所示。

表1 刀具主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of the Drill

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)參數(shù)

鉆削試驗(yàn)在德瑪吉DMC 635V eco型立式加工中心上進(jìn)行，機(jī)床最高主軸轉(zhuǎn)速8000r/min。采用Kistler-9257B動(dòng)態(tài)測(cè)力儀對(duì)加工中的鉆削軸向力進(jìn)行測(cè)量，壓電式測(cè)力儀將測(cè)得的力信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)大小的電信號(hào)，再經(jīng)電荷放大器和數(shù)據(jù)采集卡后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄和處理。對(duì)加工后的刀具和材料表面形貌采用VHX-1000E超景深顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)。通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)和磨損試驗(yàn)來分別研究工藝參數(shù)和刀具磨損情況對(duì)碳纖維復(fù)合材料小孔加工的影響，具體試驗(yàn)參數(shù)，如表2所示。為了避免切削液對(duì)基體樹脂性能的不利影響，試驗(yàn)采用干式切削。

表2 試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experiment Parameters

3.1 工藝參數(shù)對(duì)制孔質(zhì)量的影響

3.1.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向力的影響

圖1 軸向力隨轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.1 Effect of Spindle Speed on Thrust Force

不同進(jìn)給速度下，軸向力隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖1所示。當(dāng)進(jìn)給速度分別為20mm/min、40mm/min、60mm/min和 80mm/min時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速從2000r/min增大至8000r/min，軸向力均呈減小的趨勢(shì)，減小的幅度略有不同，分別為45.89%、49.15%、49.95%和47.46%。可見碳纖維復(fù)合材料小孔鉆削時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)鉆削軸向力有較大影響。同時(shí)，可以得到在試驗(yàn)研究的參數(shù)范圍內(nèi)，進(jìn)給速度為20mm/min時(shí)的軸向力值相對(duì)較小。

3.1.2 進(jìn)給速度對(duì)軸向力的影響

不同轉(zhuǎn)速下，軸向力隨進(jìn)給速度的變化曲線，如圖2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為2000r/min、4000r/min、6000r/min和8000r/min時(shí)，隨著進(jìn)給速度從20mm/min增大至80mm/min時(shí)，軸向力逐漸增大，增大幅度分別為49.3%、50.69%、41.95%和47.82%。在試驗(yàn)研究的參數(shù)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速為8000r/min情況下的軸向力值較低。為了進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)鉆削軸向力變化的影響規(guī)律，對(duì)試驗(yàn)中的軸向力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行方差分析結(jié)果，如表3所示。檢驗(yàn)水平a值取0.01和0.05，從方差分析表中可以看出，進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速的F值分別為35.247和28.352，均大于F0.01，因此，兩者都判定為高度顯著。進(jìn)一步通過偏差平方和來分析進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速這兩個(gè)自變量對(duì)因變量軸向力的影響效應(yīng)。

圖2 軸向力隨進(jìn)給速度的變化曲線Fig.2 Effect of Feed Speed on Thrust Force

轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的聯(lián)合效應(yīng)：

由以上計(jì)算結(jié)果可知，轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)軸向力都有影響，尤其是進(jìn)給速度影響更為顯著，其貢獻(xiàn)率高達(dá)52.9%，轉(zhuǎn)速相對(duì)進(jìn)給速度對(duì)軸向力的影響弱一些，其貢獻(xiàn)率為42.6%，兩者的聯(lián)合效應(yīng)總共解釋了軸向力變化的95.5%，而系統(tǒng)隨機(jī)誤差的影響很小，只解釋軸向力變化的4.5%。

表3 軸向力方差分析Tab.3 Variance Analysis of the Thrust Force

3.1.3 軸向力經(jīng)驗(yàn)公式

通過上述方差分析，碳纖維復(fù)合材料的小孔加工時(shí)的軸向力F與轉(zhuǎn)速n和進(jìn)給速度vf有關(guān)。由金屬切削理論可知，切削力與切削參數(shù)之間呈一定的指數(shù)關(guān)系。因此，設(shè)軸向力與工藝參數(shù)間滿足指數(shù)關(guān)系式

式中：CF、k1、k2—待求系數(shù)。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，代入數(shù)據(jù)分析軟件MATLAB中，進(jìn)行多元線性回歸，可得到相應(yīng)的回歸系數(shù)，求得軸向力經(jīng)驗(yàn)公式為：

對(duì)多元線性回歸系數(shù)進(jìn)行方差分析，以證明經(jīng)驗(yàn)公式的有效性，如表4所示。可決系數(shù)R是判定回歸關(guān)系式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合程度的指標(biāo)，可決系數(shù)越接近于1則擬合度越好。軸向力取對(duì)數(shù)后的可決系數(shù)R=0.9631，說明回歸變量對(duì)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合程度比較好。由表4中的誤差均方MSE=0.0038，故估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差為S==0.0616，表明回歸標(biāo)準(zhǔn)差比較小，證明回歸曲線擬合程度較好，上述建立的軸向力經(jīng)驗(yàn)公式具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

表4 軸向力的回歸方差分析Tab.4 Regression Variance Analysis of the Thrust Force

3.1.4 工藝參數(shù)對(duì)制孔孔徑的影響

現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)碳纖維復(fù)合材料的制孔質(zhì)量的評(píng)價(jià)，大多通過分析制孔出口的毛刺、撕裂以及分層損傷來進(jìn)行。而對(duì)于碳纖維復(fù)合材料小孔加工來說，由于刀具直徑小，剛度不足，散熱條件差等原因，易引起加工孔的孔徑誤差，尺寸精度難以保證?？讖秸`差偏大會(huì)導(dǎo)致加工后的碳纖維復(fù)合材料無法裝配或產(chǎn)生較大的裝配應(yīng)力，影響連接結(jié)構(gòu)的使用性能。因此，主要研究工藝參數(shù)對(duì)孔徑的影響情況，來反映碳纖維復(fù)合材料的小孔加工質(zhì)量。不同進(jìn)給速度時(shí)，孔徑隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖3所示。加工后的孔徑均小于鉆頭直徑3mm，原因是由于碳纖維復(fù)合材料本身具有較大的彈性，加工后材料的彈性回復(fù)而使孔徑縮小。在不同的進(jìn)給速度下，孔徑均隨轉(zhuǎn)速的增大而逐漸變小，轉(zhuǎn)速2000r/min時(shí)的孔徑誤差最小。主要原因是由于主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，刀具與材料接觸產(chǎn)生的切削熱和摩擦熱增多，小孔加工時(shí)散熱條件差，切削熱不易排出，導(dǎo)致材料熱脹冷縮嚴(yán)重而引起孔徑誤差增大。另外，當(dāng)進(jìn)給速度為20mm/min、40mm/min、60mm/min和80mm/min時(shí)，孔徑隨轉(zhuǎn)速的增大而減小的幅度分別為2.96%、1.38%、3.89%和3.03%。其中，進(jìn)給速度為60mm/min和80mm/min時(shí)的制孔孔徑誤差相對(duì)較小，但誤差值波動(dòng)較大為了更進(jìn)一步分析工藝參數(shù)對(duì)制孔質(zhì)量的影響情況，對(duì)孔徑的測(cè)量值進(jìn)行方差分析。具體的方差分析結(jié)果，如表5所示。

圖3 孔徑隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.3 Change of Hole Diameter with Spindle Speed

表5 孔徑方差分析Tab.5 Variance Analysis of the Hole Diameter

在孔徑的方差分析中，檢驗(yàn)水平a仍取0.01和0.05，判斷孔徑與工藝參數(shù)顯著性的方法與軸向力類似。從分析結(jié)果可以看出，進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速對(duì)孔徑的影響都十分顯著。其中，轉(zhuǎn)速的影響更顯著，其貢獻(xiàn)率為48.64%；進(jìn)給速度對(duì)孔徑的影響相對(duì)轉(zhuǎn)速弱一些，其貢獻(xiàn)率為40.54%，兩者的聯(lián)合效應(yīng)為：

即轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度總共解釋了孔徑變化的89.18%，相關(guān)系數(shù)R=0.9443，其他因素（殘差變量）解釋了孔徑變化的10.82%，這可能與鉆削時(shí)機(jī)床振動(dòng)和測(cè)量誤差等因素有關(guān)。

3.2 刀具磨損對(duì)制孔質(zhì)量的影響

對(duì)硬質(zhì)合金麻花鉆制孔時(shí)刀具磨損對(duì)制孔質(zhì)量的影響進(jìn)行分析，通過超景深顯微鏡可以得到刀尖形貌和孔出口形貌的變化情況，如表6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著制孔個(gè)數(shù)的增加，刀具磨損程度逐漸加重，孔出口的毛刺在數(shù)量和損傷程度方面也都有所加重，制孔質(zhì)量越來越差。

表6 刀尖形貌與孔出口形貌對(duì)比Tab.6 Comparison of the Morphology for the Tool Tip and the Hole Exit

通過觀察鉆頭刀尖形貌，可以看出，鉆頭后刀面磨損形式主要為磨粒磨損，磨損帶為由刀尖向橫刃逐漸變窄的一狹長(zhǎng)區(qū)域。刀尖處由于散熱條件差，切削刃強(qiáng)度弱，磨損速率最快。因此，以刀尖處的磨損量VC來評(píng)價(jià)刀具的磨損程度，測(cè)量方便且誤差較小。具體測(cè)量位置，如圖4所示。試驗(yàn)中，每加工2個(gè)孔，用超景深顯微鏡測(cè)量麻花鉆后刀面磨損量VC值。另外，由于小尺寸刀具制造時(shí)，兩主切削刃很難刃磨的完全對(duì)稱，在加工時(shí)表現(xiàn)為一側(cè)磨損嚴(yán)重，為了消除由于主切削刃在高度或長(zhǎng)度等方面的制造誤差而引起磨損不均勻的現(xiàn)象，將兩主切削刃后刀面磨損量VC值求和，得到其隨制孔個(gè)數(shù)的變化情況，如圖5所示?？梢钥闯鲭S著制孔個(gè)數(shù)的增加，磨損量VC逐漸增大，擬合曲線符合刀具磨損曲線的三個(gè)階段，即：在制孔個(gè)數(shù)小于11個(gè)時(shí)，刀具磨損量迅速增大；隨后磨損量曲線平緩上升，即穩(wěn)定磨損階段；當(dāng)制孔個(gè)數(shù)大于31個(gè)之后，磨損量超過90μm，磨損曲線斜率增大，表明刀具進(jìn)入劇烈磨損階段，需重新刃磨或更換新刀。孔徑隨制孔個(gè)數(shù)的變化情況，如圖6所示。隨著制孔個(gè)數(shù)即刀具磨損量的增加，制孔孔徑逐漸減小，孔徑誤差值及其波動(dòng)程度都增大。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因一方面是隨著制孔個(gè)數(shù)的增加，刀具副切削刃磨損引起鉆頭直徑減小；另一方面是磨損刀具在加工時(shí)發(fā)熱量增加，材料受熱冷卻后回彈使孔徑縮小。

圖4 鉆頭磨損量VC的測(cè)量位置Fig.4 Measurement Position of Tool Wear VC

圖5 刀具后刀面磨損量VC隨制孔個(gè)數(shù)的變化Fig.5 Change of Tool Wear VC with Number of Holes Drilled

圖6 孔徑隨制孔個(gè)數(shù)的變化Fig.6 Change of Hole Diameter with Number of Holes Drilled

4 結(jié)論

開展了碳纖維復(fù)合材料直徑3mm小孔加工試驗(yàn)，通過方差分析和回歸分析研究了切削參數(shù)對(duì)切削軸向力和孔徑影響程度的顯著情況；對(duì)孔出口的形貌和刀具磨損情況進(jìn)行觀測(cè)，得到了刀具磨損量隨制孔個(gè)數(shù)的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：（1）轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)制孔軸向力均有顯著影響，進(jìn)給速度對(duì)軸向力的影響大于轉(zhuǎn)速的影響；隨著轉(zhuǎn)速增加，鉆削軸向力呈減小的趨勢(shì)，隨著進(jìn)給速度增加，軸向力呈增加的趨勢(shì)。（2）轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)孔徑均有顯著影響，轉(zhuǎn)速對(duì)孔徑的影響大于進(jìn)給速度的影響；隨著轉(zhuǎn)速增加，孔徑誤差呈增大的趨勢(shì)，隨著進(jìn)給速度增加，孔徑誤差呈減小的趨勢(shì)。（3）刀具磨損導(dǎo)致制孔質(zhì)量變差、孔徑誤差增大，采用硬質(zhì)合金鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料的制孔個(gè)數(shù)大于31個(gè)時(shí)，后刀面磨損量超過90μm，磨損曲線斜率增大，刀具進(jìn)入劇烈磨損階段，需重新刃磨或更換新刀。

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