碳纖維構(gòu)件型面數(shù)控加工工藝技術(shù)研究

涂 安，袁信滿，張 也

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川成都 610092）

0 引言

碳纖維樹脂復(fù)合材料作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料，具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在諸如飛機(jī)機(jī)翼、大型運(yùn)載火箭艙段、航天飛行器艙體等航空航天與國(guó)防軍工產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-2]。然而在復(fù)合材料大量推廣應(yīng)用的同時(shí)，其構(gòu)件的切削加工成為一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能呈各向異性，層間強(qiáng)度低，且碳纖維具有硬度高、強(qiáng)度大的特點(diǎn)[3]，在機(jī)械加工過(guò)程中，特別是碳纖維構(gòu)件型面的加工過(guò)程中極易產(chǎn)生加工面凹坑，型面邊緣毛刺、分層，撕裂等缺陷，屬于典型的難加工材料。

面向碳纖維零件的制造需求，針對(duì)碳纖維材料加工時(shí)存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在其切削原理、刀具等方面進(jìn)行了研究，并取得了較多的成果。國(guó)外學(xué)者Everstine[4]較早研究了碳纖維材料切削力產(chǎn)生機(jī)理，并采用連續(xù)力學(xué)的方法建立了0°纖維方向切削力預(yù)測(cè)模型；日本學(xué)者花崎伸作[5-6]對(duì)CFRP的切削機(jī)理進(jìn)行了研究，得出無(wú)論纖維方向是什么角度，碳纖維在刀具加工過(guò)程中發(fā)生斷裂的原因均是由于纖維所受垂直軸向方向的剪切應(yīng)力超過(guò)了層間剪切強(qiáng)度的結(jié)論；Karpat[7]對(duì)單向纖維材料進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，研究了碳纖維材料不同取向下的切削力及加工質(zhì)量。國(guó)內(nèi)學(xué)者張厚江基于花崎伸作的研究，從切削方向以及纖維夾角著手，建立了二維切削力理論計(jì)算公式，為切削力的預(yù)測(cè)提供了理論依據(jù)；胡寶剛[8]研究了CFRP切削加工時(shí)不同材料刀具的磨損速率，并針對(duì)不同加工方法的刀具材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何角度提出了優(yōu)化策略。從現(xiàn)有的研究文獻(xiàn)可知，目前對(duì)于碳纖維切削加工的研究大都停留在切邊和鉆孔的機(jī)械加工研究上，對(duì)于碳纖維構(gòu)件型面數(shù)控加工尚無(wú)研究。因此，實(shí)現(xiàn)碳纖維型面數(shù)控加工成為亟待解決的重要問(wèn)題。

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料型面加工中出現(xiàn)的表面凹坑、型面邊緣纖維分層、以及型面表面質(zhì)量差等質(zhì)量問(wèn)題，本文以350飛機(jī)機(jī)翼和尾舵中的碳纖維構(gòu)件型面為研究對(duì)象，分析了影響其加工質(zhì)量的刀具、切削路徑以及切削參數(shù)，解決了碳纖維構(gòu)件型面加工缺陷，實(shí)現(xiàn)碳纖維型面構(gòu)件的高質(zhì)加工。

1 碳纖維構(gòu)件型面加工特征

圖1 A350機(jī)翼下垂板結(jié)構(gòu)示意圖

碳纖維復(fù)合材料制造成型后，需進(jìn)行機(jī)械加工以滿足構(gòu)件的連接和裝配的需要[9-10]，因此，作為碳纖維復(fù)合材料加工的最后工序，機(jī)械加工的好壞直接關(guān)系到碳纖維構(gòu)件的質(zhì)量，影響后續(xù)零件及產(chǎn)品的使用壽命。同時(shí)，隨著航空裝備技術(shù)的飛速發(fā)展，碳纖維構(gòu)件結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，因此，碳纖維復(fù)合材料在帶給航空、航天產(chǎn)品諸多優(yōu)良性能的同時(shí)也給其數(shù)控加工帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。圖1所示為A350機(jī)翼下垂板構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出，零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件需加工的部位包括四周輪廓邊、孔、以及零件型面的加工。

圖2 碳纖維構(gòu)件側(cè)銑切邊示意圖

目前，對(duì)于碳纖維材料構(gòu)件的加工僅包括四周輪廓的切邊以及構(gòu)件的制孔，對(duì)于碳纖維零件型面的加工尚無(wú)研究。如圖2所示，原有的側(cè)銑切邊方法已無(wú)法應(yīng)用于復(fù)雜型面加工上，以至于現(xiàn)有的加工刀具、切削方式和參數(shù)無(wú)法滿足碳纖維構(gòu)件型面的加工，現(xiàn)場(chǎng)加工時(shí)常出現(xiàn)零件型面凹坑、邊緣纖維分層以及構(gòu)件型面加工缺陷嚴(yán)重等問(wèn)題，如圖3所示，這些問(wèn)題已成為制約飛機(jī)制造的瓶頸。

圖3 碳纖維構(gòu)件型面加工缺陷

2 碳纖維構(gòu)件型面加工工藝技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料切屑形成過(guò)程是一個(gè)基體破壞和纖維斷裂相互交織的復(fù)雜過(guò)程。如何選擇合適的加工刀具、規(guī)劃切削路徑并選擇合理的切削參數(shù)，是提高碳纖維構(gòu)件型面加工質(zhì)量的有效手段。

2.1 加工刀具

目前碳纖維復(fù)合材料加工刀具使用較多的主要有金剛石銑刀、硬質(zhì)合金類的菠蘿銑刀、“人字形”銑刀以及小螺旋銑刀等。但這些刀具主要用于碳纖維構(gòu)件的輪廓側(cè)銑，針對(duì)碳纖維構(gòu)件型面的加工刀具尚無(wú)研究。

圖4 PCD立銑刀結(jié)構(gòu)示意圖

在碳纖維零件的加工中，碳纖維加工刀具結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)以及刀具的材料的選用是解決復(fù)合材料難加工問(wèn)題的關(guān)鍵。因此依托刀具廠家，結(jié)合碳纖維構(gòu)件型面加工特征對(duì)加工刀具進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，刀具結(jié)構(gòu)及刀具參數(shù)如圖4所示。刀具直徑為φ20 mm，底角為半徑5 mm的大底角，刀具有4片刀刃，其中精、粗加工刀刃各2片，且相間分布，粗加工刀刃為鋸齒形，精加工刀刃為“一字”形；刀具基體材料為整體硬質(zhì)合金，并在刀刃上鑲有PCD刀片，增加了刀具切削壽命并有利于提高零件加工表面質(zhì)量。行切過(guò)程中參與型面切削的主要是端面的底齒，側(cè)齒則在加工過(guò)程中去除周邊大余量。

2.2 走刀路徑及刀具姿態(tài)

由于碳纖維構(gòu)件型面弧度變化較大，在型面的加工過(guò)程中，型面采用行切的走刀路徑，同時(shí)為了防止加工過(guò)程中纖維分層和撕裂，對(duì)加工型面受力進(jìn)行分析。圖5所示為構(gòu)件型面加工受力分析示意圖，切削力F分為切向力F1、徑向力F2和軸向力F3，當(dāng)前傾角α和側(cè)傾角β減小時(shí)，刀具施加在零件表面的軸向力F3增大，形成對(duì)零件表面的擠壓，使得碳纖維層之間的粘接力和摩擦力加大，從而有效地防止零件的分層和撕裂。由此可知，在碳纖維構(gòu)件型面加工中采用前傾角α=0和側(cè)傾角β=0，并保證刀具位置始終垂直于切削點(diǎn)的切線方向，來(lái)實(shí)現(xiàn)碳纖維構(gòu)件型面的加工，如圖6所示。

圖5 構(gòu)件型面加工受力分析示意圖

圖6 構(gòu)件加工切削方式示意圖

2.3 切削參數(shù)

在數(shù)控切削加工過(guò)程中，切削參數(shù)的選擇不僅會(huì)影響零件的加工質(zhì)量、刀具壽命，甚至還可能影響機(jī)床壽命和企業(yè)效益。為了使碳纖維構(gòu)件型面能夠順利加工，并且在加工過(guò)程能夠獲得較好的表面質(zhì)量，因此，基于大底角的碳纖維銑刀以及垂直于加工表面切削方式、開展了碳纖維構(gòu)件型面切削實(shí)驗(yàn)。

2.3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)建立在先進(jìn)的五軸機(jī)床上，試驗(yàn)材料以實(shí)際工況中采用的A350復(fù)材構(gòu)件，試切刀具采用直徑為φ20 mm、底齒R5 mm、齒數(shù)為4的PCD銑刀；試驗(yàn)以切削深度ap、切削寬度ae、進(jìn)給速度f(wàn)、主軸轉(zhuǎn)速s作為影響碳纖維構(gòu)件型面加工質(zhì)量的4個(gè)因素，每個(gè)因素選取4個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，觀察零件表面是否有凹坑、邊緣纖維分層及撕裂等現(xiàn)象；同時(shí)通過(guò)高倍放大鏡觀測(cè)切削毛刺長(zhǎng)度，以毛刺的平均長(zhǎng)度進(jìn)一步來(lái)評(píng)價(jià)加工質(zhì)量的優(yōu)劣。試驗(yàn)因素如表1所示。

表1 構(gòu)件型面切削正交試驗(yàn)因素表

2.3.2 結(jié)果分析

圖7 毛刺長(zhǎng)度的測(cè)量

如表1所示，采用正交試驗(yàn)法確定試驗(yàn)方案，試驗(yàn)參數(shù)分別切削深度ap、切削寬度ae、進(jìn)給速度f(wàn)、主軸轉(zhuǎn)速s，響應(yīng)值為表面缺陷以及毛刺的平均長(zhǎng)度，如圖7所示，試驗(yàn)切削條件及實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 構(gòu)件型面切削正交試驗(yàn)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表中可以看出:（1）碳纖維零件的實(shí)際加工過(guò)程中，影響表面質(zhì)量各因素的重要性排序依次為：s＞ae＞ap＞fz；（2）采用高速加工方案，相較于低速加工，更容易獲得理想的加工效果；（3）采用大切深、切寬時(shí)，由于對(duì)工件的切削力更大，更容易拉傷、破壞工件，零件成形質(zhì)量也更難以保證，因此宜選用小切深、小切寬的加工方式以取得更佳的零件加工質(zhì)量。根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，結(jié)合加工實(shí)踐，最終采用的加工參數(shù)如表3所示。

表3 碳纖維構(gòu)件型面的加工參數(shù)表

3 碳纖維構(gòu)件型面加工技術(shù)應(yīng)用

航空工業(yè)成飛是A350項(xiàng)目的重要供應(yīng)商之一，承擔(dān)著機(jī)翼下垂板、擾流片等新型碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件研制生產(chǎn)的重要任務(wù)。論文通過(guò)對(duì)碳纖維構(gòu)件型面的數(shù)控加工工藝技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了碳纖維構(gòu)件型面的穩(wěn)定加工，如圖8所示，構(gòu)件型面加工合格率由原來(lái)80%上升至95%，實(shí)現(xiàn)了碳纖維構(gòu)件型面的高質(zhì)加工。

圖8 碳纖維構(gòu)件型面加工及實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)碳纖維構(gòu)件型面加工中出現(xiàn)凹坑、毛刺、邊緣纖維分層及撕裂等問(wèn)題，研究了碳纖維構(gòu)件型面的加工刀具、切削方式，提出了采用大底角的碳纖維銑刀以及垂直于加工表面切削方式，避免了刀具選用以及切削方式錯(cuò)誤引起的加工質(zhì)量問(wèn)題；同時(shí)基于前兩者的研究結(jié)果，開展了碳纖維構(gòu)件切削試驗(yàn)，驗(yàn)證了切削刀具選用以及切削方式規(guī)劃的準(zhǔn)確性，并得出碳纖維構(gòu)件宜采用小切深、小切寬的加工方式。