碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料銑削力試驗(yàn)研究分析

吳維設(shè) 鄧霜 王成洲

摘 要：碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱 CFRP）具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、疲勞性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。但由于其獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性，使得其切削過(guò)程中加工性能差、刀具磨損嚴(yán)重、工藝參數(shù)難以控制，在很大程度上制約了CFRP的發(fā)展和應(yīng)用。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，采集加工過(guò)程中的切削力并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析出切削參數(shù)、刀具對(duì)銑削力的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料;銑削力

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

試件為板狀斜紋織物碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（T300/阻燃環(huán)氧樹(shù)脂）。

1.2 試驗(yàn)刀具

本實(shí)驗(yàn)選用金剛石涂層多齒刀具、無(wú)涂層多齒刀具及金剛石涂層交錯(cuò)齒刀具三種刀具，刀具直徑均為12mm。

1.3 測(cè)力系統(tǒng)

銑削力測(cè)試系統(tǒng)包括三向動(dòng)態(tài)壓電式測(cè)力儀、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

2 試驗(yàn)方案

本文將采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，進(jìn)行不同銑削參數(shù)組合下的銑削加工試驗(yàn)，獲得銑削加工過(guò)程中的銑削力。

2.1 銑削力的測(cè)試方案

本實(shí)驗(yàn)采用壓電式測(cè)力儀對(duì)銑削力進(jìn)行測(cè)量，分別將平行及垂直于刀具進(jìn)給方向的力定義為Fx和Fy。

2.2 銑削力數(shù)據(jù)采集分析

本文采用三因素三水平正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)阻燃環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的銑削加工試驗(yàn)，采集加工過(guò)程中的銑削力信號(hào)。實(shí)驗(yàn)首先采用控制變量法使用金剛石涂層多齒刀具探究銑削速度、進(jìn)給速度和銑削深度對(duì)銑削力的影響規(guī)律，各要素實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)下表;隨后分別使用無(wú)涂層多齒刀具和金剛石涂層交錯(cuò)齒刀具在相同的試驗(yàn)參數(shù)下進(jìn)行了側(cè)銑CFRP的試驗(yàn)，以探究刀具對(duì)銑削力的影響規(guī)律。三組試驗(yàn)全部實(shí)驗(yàn)使用無(wú)冷卻順銑加工方式，采用統(tǒng)一的軸向切深ap=19mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 切削參數(shù)對(duì)切削力的影響

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到側(cè)銑CFRP時(shí)的銑削力數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行極差分析。分析極差結(jié)果為各個(gè)因素對(duì)X方向銑削力的影響程度依次為：每齒進(jìn)給量>徑向切深>切削速度;Y方向銑削力的影響程度依次為：徑向切深>每齒進(jìn)給量>切削速度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在側(cè)銑碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)各工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響趨勢(shì)如圖1?？梢钥闯觯谒x的參數(shù)范圍內(nèi)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切削力Fx、Fy基本不變。這是因?yàn)榍邢魉俣鹊脑黾訒?huì)減少每齒進(jìn)給量，產(chǎn)生對(duì)切削力降低有利的因素;而切削速度增加時(shí)單位時(shí)間內(nèi)刀具的切削次數(shù)增加，造成切削溫度升高，CFRP材料軟化進(jìn)而容易形成切屑瘤，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重切削力增大。隨著每齒進(jìn)給量的增大，切削力逐漸增大。這是因?yàn)槊魁X進(jìn)給量的提高會(huì)導(dǎo)致刀具切除材料的厚度變大，單位時(shí)間切除的材料增多。在增加材料切除率的同時(shí)也增加了切削過(guò)程中的摩擦，使切削力升高。切削力隨徑向切深的增加也呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，對(duì)于側(cè)銑CFRP來(lái)說(shuō)，徑向切深是影響其加工過(guò)程的重要參數(shù)，隨著其值增大刀具與工件表面的接觸面積增大，刀刃在材料內(nèi)部的切削距離增加，摩擦增大進(jìn)而導(dǎo)致切削力升高。

a）Vc對(duì)切削力的影響 （b）FZ對(duì)切削力的影響

（c）ae對(duì)切削力的影響

3.2 刀具材料及結(jié)構(gòu)對(duì)切削力的影響

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果三種刀具不同銑削參數(shù)下銑削力Fx和Fy的對(duì)比。如圖2，可以看出側(cè)銑加工時(shí)，涂層對(duì)Fx幾乎沒(méi)有影響，但是涂層刀具的Fy大于非涂層刀具，是由于對(duì)于新刀具而言，無(wú)涂層銑刀的刃口半徑較小，刀具較鋒利，金剛石涂層銑刀刃口半徑大，初始狀態(tài)較無(wú)涂層刀具鈍，因此切削力增大。交錯(cuò)齒刀具的Fx小于多齒刀具，但Fy大于多齒刀具，說(shuō)明交錯(cuò)齒刀具可以減小進(jìn)給方向的力，但會(huì)造成垂直進(jìn)給方向上的力的增加，容易引起刀具的彎曲變形進(jìn)而影響加工質(zhì)量。三種刀具切削力都隨著每齒進(jìn)給量以及徑向切深的