碳纖維復(fù)合材料車削加工技術(shù)研究 *

孫 坤，徐紅霞，劉小建，張 軍，牛 軍

(西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025)

0 引言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)是一類新興的先進(jìn)復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比模、耐腐蝕、抗疲勞、材料性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，成功用于航空、航天、軍工、交通、能源等領(lǐng)域[1-5]。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件或產(chǎn)品，通常是采用纏繞成型技術(shù)、RTM成型技術(shù)、熱壓罐成型技術(shù)等進(jìn)行近凈成型，一般不需要大余量切削加工[6-7]。但在高精度應(yīng)用條件下，現(xiàn)有的CFRP成型工藝難以滿足產(chǎn)品最終尺寸精度和表面質(zhì)量要求。因此，需要對CFRP構(gòu)件或產(chǎn)品進(jìn)行二次加工，以進(jìn)一步提高其精度和表面質(zhì)量。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是一類典型的難加工材料，在工業(yè)化批量加工生產(chǎn)過程中，材料易產(chǎn)生分層、毛刺、開裂等問題，其切削加工技術(shù)仍存在較多的技術(shù)瓶頸[8-10]。

本文從切削深度ap、主軸轉(zhuǎn)速n、切削進(jìn)給量f等參數(shù)選取，研究車削工藝參數(shù)對CFRP材料加工的表觀質(zhì)量和生產(chǎn)效率的影響，進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)來保證產(chǎn)品車削加工質(zhì)量穩(wěn)定性及高效生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)件

本文采用T300碳纖維編織碳布模壓成型，樣品厚度約10 mm，基體為環(huán)氧樹脂，材料硬度為HRC55～HRC65。

1.2 車削三要素正交試驗(yàn)

通過對車削加工三要素切削深度ap、主軸轉(zhuǎn)速n、切削進(jìn)給量f進(jìn)行對比性試驗(yàn)，分析加工表觀質(zhì)量。

1.2.1 粗、精加工切削深度ap試驗(yàn)

(1)設(shè)置數(shù)控車床轉(zhuǎn)速n=100 r/min，進(jìn)給量為10 mm/min(每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.1 mm/r)；切削部位為試驗(yàn)件直線段200 mm長度范圍；其切削速度v=π·D·n，試驗(yàn)件外徑D=φ250 mm，轉(zhuǎn)速n=100 r/min，可控制恒定切削速度v= 78.5 m/min。

(2)按f=0.1 mm/r，v= 78.5 m/min參數(shù)恒定下，使用聚晶金剛石刀具進(jìn)行車削，分別通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)整切削深度ap=0.1、0.3、0.5、1、2、3、5、6.5 mm。切削深度ap每次變動(dòng)都需在試驗(yàn)件200 mm行程內(nèi)進(jìn)行車削加工試驗(yàn)，并針對加工后表面進(jìn)行觀察，同時(shí)進(jìn)行粗糙度測量并記錄(粗糙度測量記錄數(shù)值為加工表面任意3處測量值平均值)。

1.2.2 粗、精加工主軸轉(zhuǎn)速n試驗(yàn)

分別設(shè)置車削深度為ap=0.3 mm和ap=3 mm，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置恒定f進(jìn)給量為0.1 mm/r，保持同一切深，依次設(shè)置轉(zhuǎn)速n=20、40、60、80、100、120、150、200 r/min。轉(zhuǎn)速n每次變動(dòng)都需在試驗(yàn)件200 mm行程內(nèi)進(jìn)行車削加工試驗(yàn)，并針對加工后表面進(jìn)行觀察，同時(shí)進(jìn)行粗糙度測量并記錄(粗糙度測量記錄數(shù)值為加工表面任意3處測量值平均值)。

1.2.3 粗、精加工切削進(jìn)給量f試驗(yàn)

分別設(shè)置車削深度為ap=0.3 mm和ap=3 mm，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置車床主軸轉(zhuǎn)速恒定n=80 r/min，保持同一切深，依次設(shè)置車削進(jìn)給量f=0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.3、1.5 mm/r。進(jìn)給量f每次變動(dòng)都需在試驗(yàn)件200 mm行程內(nèi)進(jìn)行車削加工試驗(yàn)，對加工后表面進(jìn)行觀察，測量并記錄粗糙度(粗糙度測量記錄數(shù)值為加工表面任意3處測量值平均值)。

2 結(jié)果與討論

2.1 切削深度ap對表面質(zhì)量的影響

選用不同切削深度ap后，加工表面粗糙度測量值及表觀質(zhì)量等情況見圖1。

從圖1可看出，隨著切削深度的增大，加工表觀質(zhì)量逐漸下降，當(dāng)切削深度達(dá)到刀具承受極限狀態(tài)后，就無法實(shí)現(xiàn)車削材料過程。

對于精加工而言，主要指標(biāo)就是優(yōu)良的表面質(zhì)量和精確的加工尺寸精度[8]。切深ap在0.1～0.5 mm內(nèi)時(shí)，表面粗糙度較為理想，維持Ra在10以下，加工尺寸精度也維持在0.02～0.06 mm，精度保持較好。如果切削深度ap較低，雖然獲得較好表觀質(zhì)量和尺寸精度，但從生產(chǎn)角度出發(fā)，無疑會使生產(chǎn)效率下降。因此，在保證表觀質(zhì)量和尺寸精度基本一致的情況下，選用切深較大的ap參數(shù)。綜上所述，精加工中可選取ap在0.3～0.5 mm內(nèi)作為批產(chǎn)條件CFRP材料精加工ap參數(shù)。

圖1 切削深度ap與加工表觀質(zhì)量關(guān)系圖(f=0.1 mm/r、n=100 r/min)

對于粗加工而言，對表觀質(zhì)量和尺寸精度要求都不高，只要保證粗加工后CFRP材料表面不產(chǎn)生過大的加工缺陷，防止這種加工缺陷大到深度過深，以至于精加工余量不足而已。(1)當(dāng)粗加工切深ap在1～3 mm內(nèi)，表面粗糙度Ra維持在12～14 μm內(nèi)，表觀保持較好；(2)切深ap在3～5 mm時(shí)，表面粗糙度Ra維持在14～17 μm內(nèi)，表面較為粗糙，出現(xiàn)起毛及局部材料分層撕裂的現(xiàn)象；(3)如果切削深度ap繼續(xù)增大，ap在5～6.5 mm時(shí)，表面粗糙度數(shù)值急速升高，表觀質(zhì)量極差，出現(xiàn)大面積材料撕裂，這主要是由于刀刃部切屑過大，擠壓材料而非剪切材料造成基體破壞引起的。此時(shí)，極有可能使精加工ap=0.3 mm時(shí)沒有足夠余量進(jìn)行精加工。

粗加工ap在1～3 mm時(shí)，雖然獲得較好表觀質(zhì)量和尺寸精度，但從生產(chǎn)角度出發(fā)，無疑會使生產(chǎn)效率下降，粗加工選用切深3～5 mm時(shí)，即可滿足保證一定表觀質(zhì)量和尺寸精度，同時(shí)也顧及了生產(chǎn)效率。綜上所述，粗加工中選取ap在3～5 mm內(nèi)作為批產(chǎn)條件CFRP材料粗加工ap參數(shù)。

2.2 主軸轉(zhuǎn)速對表面質(zhì)量的影響

車削深度分別為ap=0.3 mm(精加工)和ap=3 mm(粗加工)，選用不同轉(zhuǎn)速n后，加工表面粗糙度測量值及表觀質(zhì)量等情況見圖2。

從圖2可知，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面粗糙度還是呈上升趨勢，但在n=120 r/min(v=100 m/min)以下時(shí)，無論是粗加工還是精加工，粗糙度波動(dòng)都不大，說明車削速度v在此范圍內(nèi)對其加工表面的表觀沒有太大改善。

對于精加工而言，主要指標(biāo)就是優(yōu)良的表面質(zhì)量和精確的加工尺寸精度。從圖2可看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速n<120 r/min時(shí)，工件表觀粗糙度變化不大。因此從生產(chǎn)效率角度出發(fā)，轉(zhuǎn)速越高，效率越高。因此，本文精加工中選取轉(zhuǎn)速n在100～120 r/min(切削線速度v=80～100 m/min)內(nèi)作為批產(chǎn)條件CFRP材料精加工切削速度。

圖2 主軸轉(zhuǎn)速與加工表觀質(zhì)量關(guān)系(f=0.1 mm/r，ap=3 mm、ap=0.3 mm)

對于粗加工而言，對表觀質(zhì)量和尺寸精度要求都不高，只要保證粗加工后CFRP材料表面不產(chǎn)生過大的加工缺陷。從圖2可看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速n<120 r/min時(shí)，工件表觀粗糙度變化不大，但轉(zhuǎn)速n>80 r/min時(shí)，加工表面開始出現(xiàn)撕裂、起毛的現(xiàn)象。因此，本文粗加工中選取轉(zhuǎn)速n在60～80 r/min(切削線速度v=50～70 m/min)內(nèi)作為批產(chǎn)條件CFRP材料粗加工切削速度。

2.3 車削進(jìn)給量f對表面質(zhì)量的影響

車削深度分別為ap=0.3 mm(精加工)和ap=3 mm(粗加工)，選用不同進(jìn)給量f后，加工表面粗糙度測量值及表觀質(zhì)量等情況見圖3。從圖3可看出，隨著車削進(jìn)給量f的增大，表面粗糙度都是呈上升趨勢。當(dāng)f<0.2 mm/r時(shí)，無論粗、精加工，加工后表面粗糙度均較低。

對于精加工而言，主要指標(biāo)就是優(yōu)良的表面質(zhì)量和精確的加工尺寸精度。當(dāng)車削進(jìn)給量f<0.2 mm/r時(shí)，工件表觀粗糙度變化不大。因此，從生產(chǎn)效率角度出發(fā)，進(jìn)給量越高，效率越高，所以，本文精加工中選取進(jìn)給量f在0.1～0.2 mm/r內(nèi)作為批產(chǎn)條件CFRP材料精加工切削速度。

當(dāng)車削進(jìn)給量f<0.8 mm/r時(shí)，工件表觀粗糙度對于粗加工而言也可滿足工藝要求。當(dāng)車削進(jìn)給量f>0.8 mm/r時(shí)，加工表面開始出現(xiàn)撕裂、起毛的現(xiàn)象。從生產(chǎn)效率角度出發(fā)，進(jìn)給量越高，效率越高。因此，本文粗加工中選取f在0.3～0.8 mm/r內(nèi)作為批產(chǎn)條件CFRP材料粗加工切削速度。

圖3 切削進(jìn)給量f與加工表觀質(zhì)量關(guān)系(n=80 r/min，a:ap=3 mm、b:ap=0.3 mm)

3 結(jié)論

根據(jù)以上試驗(yàn)步驟進(jìn)行的工藝試驗(yàn)和結(jié)果分析，批產(chǎn)條件車削工藝參數(shù)按下述方式選?。?/p>

(1)車削CFRP材料時(shí)，為提高生產(chǎn)效率，需進(jìn)行粗加工余量和精加工尺寸的工步分離。

(2)車削三要素切削深度、切削進(jìn)給量、切削速度的合理選取對于實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)下CFRP材料批量車削加工的表觀質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著重要影響。

(3)精加工時(shí)，選取切削深度ap=0.3 mm、切削進(jìn)給量f=0.1～0.2 mm/r、主軸轉(zhuǎn)速v=100～120 r/min時(shí)，可獲取最高生產(chǎn)效率和最佳加工表觀質(zhì)量；粗加工時(shí)，選取切削深度ap=3 mm、切削進(jìn)給量f=0.3～0.8 mm/r、主軸轉(zhuǎn)速v=60～80 r/min時(shí)，可獲取最高生產(chǎn)效率和充裕余量的加工表面。