KFRP復(fù)合材料螺旋銑削工藝制孔質(zhì)量

劉思南 楊 濤 杜 宇 劉 暢 鞏文東

(1 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300387)

(2 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387)

0 引言

凱夫拉纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(KFRP)因其模量高、韌性好、強(qiáng)度高等特點在國防軍工和航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1－2］。然而，復(fù)雜的多相結(jié)構(gòu)、較差的熱導(dǎo)率和較低的層間結(jié)合強(qiáng)度使其成為典型的難加工材料［3－4］。復(fù)合材料在裝配過程中通常需要螺接或鉚接，然而KFRP復(fù)合材料層合板進(jìn)行制孔時，極易出現(xiàn)起毛、撕裂和分層等表面缺陷，加工和裝配精度不僅難以保證，疲勞壽命和承載能力也會明顯下降［5－6］。

分層缺陷是由于刀具軸向切削力超過了層合板的層間結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致鋪層間的破壞分離情況。凱夫拉纖維呈絲絮狀殘留并堆積于表面稱之為起毛缺陷，是KFRP復(fù)合材料最顯著的加工缺陷形式［7］。當(dāng)?shù)毒呒磳⒋┩覆牧蠒r，出口處剩余的未切削纖維鋪層與基體間發(fā)生層間剝離并被拉裂撕扯的現(xiàn)象稱為撕裂缺陷。

鉆削過程中，采用群鉆、PCD鉆頭、套料鉆等特殊結(jié)構(gòu)刀具能夠有效抑制加工缺陷的產(chǎn)生［8－9］。通過建立不同結(jié)構(gòu)刀具的臨界軸向推力模型，Hocheng和Tsao得出在鉆削過程中群鉆、套料鉆等鉆頭的分層軸向力閾值更大，從而抑制了分層缺陷的產(chǎn)生［10］。

為了提高制孔質(zhì)量，國內(nèi)外研究人員開展了針對難加工材料的螺旋銑削工藝研究。螺旋銑削制孔具有表面質(zhì)量高、切削力小等優(yōu)點［11］。通過分析螺旋銑動力學(xué)，相關(guān)學(xué)者建立了預(yù)測螺旋銑削時的切削力解析模型［12－13］。王奔等利用傳統(tǒng)鉆削和螺旋銑削兩種工藝對C/E復(fù)合材料的制孔質(zhì)量、切削溫度和切削力進(jìn)行了對比研究，結(jié)果顯示較低的切削溫度是螺旋銑孔工藝抑制缺陷的重要因素［14］。對CFRP復(fù)合材料螺旋銑孔的切削參數(shù)進(jìn)行正交試驗，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削深度等切削參數(shù)也會對切削力、制孔缺陷產(chǎn)生重要影響［15－16］。此外，針對 CFRP/鈦合金層疊材料，Brinksmeier等進(jìn)行了螺旋銑孔研究，較低的切削力和切削溫度能夠有效改善難加工材料的制孔質(zhì)量［17］。

然而，制孔研究大多集中在CFRP復(fù)合材料及其層疊材料，鮮見對KFRP復(fù)合材料的研究，切削參數(shù)和刀具類型對制孔質(zhì)量的影響尚不明晰。碳纖維較脆，而芳綸纖維韌性較大。所以機(jī)加工中強(qiáng)韌而不易碎折，可加工性不好，是最難加工的材料之一，在機(jī)加過程中經(jīng)過一定的塑性變形才能斷裂［18］，因此，研究KFRP復(fù)合材料螺旋銑削制孔具有重要意義。本文主要開展KFRP復(fù)合材料螺旋銑削工藝制孔質(zhì)量研究。

1 試驗

1.1 螺旋銑孔切削運(yùn)動軌跡分析

螺旋銑孔是以銑削原理為基礎(chǔ)進(jìn)行制孔的加工方法，由3種運(yùn)動復(fù)合形成，包括銑刀的自轉(zhuǎn)、圍繞孔軸向中心線的公轉(zhuǎn)以及沿著試件厚度方向的進(jìn)給運(yùn)動，如圖1所示。至少確定刀具的主軸轉(zhuǎn)速N、軌道轉(zhuǎn)速ω、軸向進(jìn)給速度f以及偏心距e等4項切削參數(shù)，才能進(jìn)行一次完整的螺旋銑孔切削［19］。偏心距應(yīng)滿足:

式中，Dh為加工孔徑，Dm為銑刀直徑。

螺旋銑孔切削時，切削刃上任一點的切削速度為:

式中，RC為切削刃上任意一點至刀具中心的距離。

軸向切削深度可表示為:

1.2 試驗設(shè)計

分別對偏心距、主軸轉(zhuǎn)速和刀具類型進(jìn)行單因素試驗，軸向切削深度和軸向進(jìn)給速度分別固定在1.0 mm/r和50 mm/min，偏心距為 0.5和 1 mm，主軸轉(zhuǎn)速分別為4 000、5 000和6 000 r/min。每組切削參數(shù)下各螺旋銑孔3個。試驗中分別采用二刃、三刃、四刃和波形四刃等4種整體硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行螺旋銑孔，刀具直徑均為4.0 mm。二刃、四刃和波形四刃銑刀均有TiAlN涂層;而三刃銑刀的刃部無涂層，刃口更為鋒利;波形四刃銑刀是在普通四刃銑刀的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，將螺旋前刀面加工為波浪形螺旋面，使之與后刀面相交成波浪形的切削刃。

1.3 試驗條件

采用中航復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的凱夫拉纖維正交編織預(yù)浸料，酚醛樹脂基體含量為38%。通過鋪層及熱壓罐固化工藝制備為KFRP復(fù)合材料層合板，試件厚度為4 mm。試驗現(xiàn)場布置如圖2所示，試驗平臺為漢川XK714D型立式數(shù)控銑床。

由于KFRP復(fù)合材料熱導(dǎo)率較低而吸濕率較強(qiáng)，不適宜噴淋冷卻，因此切削過程中通過吹掃壓縮空氣進(jìn)行冷卻。試驗人員在佩戴口罩的同時，利用吸塵器實時收集切屑，以減輕對呼吸系統(tǒng)的損害。

2 結(jié)果及討論

2.1 制孔質(zhì)量表征

以分層因子、起毛面積和孔徑偏差表征KFRP復(fù)合材料螺旋銑削工藝的制孔質(zhì)量。如圖3(a)所示，分層因子由Df/D計算(Df為分層區(qū)域的最大直徑，D為公稱孔徑)。KFRP復(fù)合材料出口處分層區(qū)域有明顯的顏色變化，易于視覺觀測，因此采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測量Df。

由于殘留的凱夫拉纖維呈絲絮狀堆積于表面，形狀不規(guī)則、長度不均勻，因此將其覆蓋的面積定義為起毛面積以表征缺陷的嚴(yán)重程度。如圖3(b)所示，利用圖像分析軟件Image Pro Plus，將螺旋銑孔入口處的數(shù)碼圖像轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制圖像，能夠獲得起毛缺陷的面積。

孔徑偏差則由Dr–Dc與Dr的比值來計算(Dr為入口處直徑，Dc為出口處直徑)。圖3(c)可見入口及出口處分別存在嚴(yán)重的起毛和撕裂缺陷，所需景深較大并遮掩了孔徑，導(dǎo)致光學(xué)和電子顯微鏡無法進(jìn)行有效成像，因此入口及出口處孔徑均通過游標(biāo)卡尺測量。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在每組切削參數(shù)下各螺旋銑孔3個，每孔的分層因子、起毛面積和孔徑偏差均被測量計算3次并取平均值，進(jìn)而計算出相同切削參數(shù)下3個孔的平均值。

2.2 偏心距

偏心距是螺旋銑孔工藝重要的切削參數(shù)，通過在合理范圍內(nèi)改變偏心距，同規(guī)格的刀具能夠加工一系列的孔徑。圖4為采用二刃立銑刀以主軸轉(zhuǎn)速4 000 r/min和不同偏心距切削時的制孔質(zhì)量。圖5表示偏心距對分層因子的影響?？梢钥闯?，偏心距0.5 mm時的出口處質(zhì)量明顯優(yōu)于偏心距1.0 mm，隨著偏心距從1.0 mm降至0.5 mm，分層因子由1.36降至1.31。

圖6表示偏心距對起毛面積的影響，采用較大的偏心距切削時，大量凱夫拉纖維未能在切削刃的作用下發(fā)生剪切斷裂，而是經(jīng)過一定的塑性變形后發(fā)生拉伸或彎曲斷裂，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的起毛缺陷。與偏心距1.0 mm相比，偏心距0.5 mm時的入口處質(zhì)量得到了顯著提升，起毛面積下降了55.3%。

偏心距對孔徑偏差的影響如圖7所示，隨著偏心距的增加，孔徑偏差由9.2%升至18.2%，偏心距1.0 mm時出口處已呈現(xiàn)明顯的不規(guī)則形狀。這是由于螺旋銑孔切削時，垂直于刀具軸向進(jìn)給方向的切削力會導(dǎo)致銑刀發(fā)生彎曲變形，偏心距越大，彎曲變形越大，進(jìn)而導(dǎo)致出口處明顯的孔徑偏差。

2.3 主軸轉(zhuǎn)速

采用四刃立銑刀在偏心距0.5 mm的工況下，不同主軸轉(zhuǎn)速時的制孔質(zhì)量如圖8所示。圖9為主軸轉(zhuǎn)速對分層因子的影響，分層因子隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而升高。主軸轉(zhuǎn)速6 000 r/min時的出口處質(zhì)量最差，分層和撕裂缺陷最嚴(yán)重，而主軸轉(zhuǎn)速降至4 000 r/min時的制孔質(zhì)量明顯改善，分層因子下降了7.4%。

主軸轉(zhuǎn)速對起毛缺陷的影響也呈現(xiàn)相同的趨勢。如圖10所示，主軸轉(zhuǎn)速4 000 r/min時的起毛面積比6 000 r/min下降了27.3%。切削過程中，纖維在樹脂基體內(nèi)有被壓縮的趨勢，加之凱夫拉纖維細(xì)密、拉伸強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)［20］，難以在極短時間內(nèi)被大量切斷。因此在較高的主軸轉(zhuǎn)速下，大量纖維沒有被切削刃切斷，而是在刀具的作用下發(fā)生了拉伸、擠壓和彎曲變形，最終產(chǎn)生塑性斷裂，殘留在加工表面形成了嚴(yán)重的起毛缺陷。

主軸轉(zhuǎn)速對孔徑偏差的影響如圖11所示，雖然孔徑偏差呈現(xiàn)隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而升高的趨勢，但均在2%上下浮動，增幅并不明顯。

2.4 刀具類型

在偏心距0.5 mm和主軸轉(zhuǎn)速4 000 r/min的工況下，采用不同類型刀具時的制孔質(zhì)量如圖12所示。三刃銑刀的入口處質(zhì)量最好，波形四刃銑刀次之，二刃和四刃銑刀的起毛缺陷更嚴(yán)重。而波形四刃銑刀的出口處質(zhì)量最好，其余刀具的出口處均有明顯的撕裂和分層缺陷。圖13表示采用不同結(jié)構(gòu)刀具螺旋銑孔時的分層因子，分層因子隨著刀具刃數(shù)的增加而升高，而波形四刃銑刀的分層因子最小，僅為1.27。

采用不同刀具類型切削的起毛面積如圖14所示，三刃銑刀和波形四刃銑刀的起毛面積分別比二刃銑刀下降了14.1%和13.7%。主要原因是:三刃銑刀與二刃銑刀相比有更多的切削刃參與切削，每齒受到的切削抗力也有所減小;與四刃銑刀比較，更鋒利的切削刃利于凱夫拉纖維剪切斷裂，因此入口處質(zhì)量最優(yōu)。

圖15為刀具類型對孔徑偏差的影響，波形四刃銑刀的孔徑偏差最小，僅為1.2%，而三刃銑刀切削的孔徑偏差最大，達(dá)到17.0%。由于三刃立銑刀的端面中心有螺旋槽穿過，刃口未過刀具中心，當(dāng)?shù)毒咔腥氩牧蠒r單邊受力導(dǎo)致偏斜，因此在軸向進(jìn)給過程中發(fā)生明顯的栽刀現(xiàn)象，四刃銑刀因其刃口過中心，軸向進(jìn)給過程更加穩(wěn)定，所以孔徑偏差較小。

因此，綜合衡量分層因子、起毛面積和孔徑偏差，波形四刃銑刀的制孔質(zhì)量最好。主要原因是:波形刃銑刀屬于粗加工刀具，與相同齒數(shù)的立銑刀相比其切削寬度顯著減小，而切削刃的實際切削厚度增大，能夠有效減少切削材料的變形程度，因此更適合KFRP復(fù)合材料的螺旋銑孔切削。

3 結(jié)論

(1)隨著偏心距的減小，分層因子、起毛面積和孔徑偏差都隨之降低，偏心距0.5 mm時的分層因子和起毛面積分別比1.0 mm時降低了3.7%和55.3%，孔徑偏差由18.2%降至9.2%。因此，較小的偏心距能夠有效抑制KFRP復(fù)合材料制孔缺陷。

(2)由于凱夫拉纖維拉伸強(qiáng)度高、韌性好，在高主軸轉(zhuǎn)速下，大量纖維難以被切斷并發(fā)生塑性斷裂。因此，分層因子、起毛面積和孔徑偏差均隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高而增加。主軸轉(zhuǎn)速4 000 r/min時螺旋銑孔的質(zhì)量最好，分層因子和起毛面積分別比6 000 r/min時降低了7.4%和27.3%。

(3)三刃無涂層銑刀的入口處質(zhì)量最好，但出口處缺陷嚴(yán)重，不適用于有軸向進(jìn)給運(yùn)動的螺旋銑孔切削。由于每齒受到的切削抗力隨刃數(shù)的增加而減小，四刃銑刀的制孔質(zhì)量優(yōu)于二刃銑刀。波刃銑刀因其特殊的刃形，能夠有效減少切削材料的變形程度。綜合評定試驗結(jié)果，在主軸轉(zhuǎn)速4 000 r/min和偏心距0.5 mm的工況下，采用波形四刃銑刀的KFRP復(fù)合材料螺旋銑孔質(zhì)量最好。

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