高韌性芳綸纖維銑削表面質(zhì)量和銑削力

申軼斐 楊 濤 劉 暢 劉思南 杜 宇

（1 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

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

文 摘 芳綸纖維復(fù)合材料（AFRP）在銑削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生毛邊、起毛、撕裂等缺陷，嚴(yán)重影響材料的裝配使用。為解決上述問(wèn)題對(duì)刀具結(jié)構(gòu)、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，從銑削力、銑削表面粗糙度以及銑削表面缺陷等方面研究銑削參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料銑削表面質(zhì)量的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)銑削表面粗糙度和銑削力有顯著影響，使用魚(yú)鱗銑刀銑削的表面粗糙度比普通四刃立銑刀的表面粗糙度降低28%，并且毛邊寬度較小，銑削表面質(zhì)量最好，更適合于AFRP的銑削加工。

0 引言

芳綸纖維復(fù)合材料（AFRP）由于具有高比強(qiáng)度和比模量及穩(wěn)定的化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天以及軍事領(lǐng)域［1-2］。但是由于AFRP 具有各向異性和不均勻性，導(dǎo)致其成為一種典型的難加工材料［3-4］。對(duì)AFRP 進(jìn)行銑削修邊時(shí)，已加工表面會(huì)產(chǎn)生起毛、撕裂、毛邊等缺陷，嚴(yán)重影響了AFRP的裝配使用。

目前，對(duì)AFRP 的研究主要集中在鉆孔上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從切削機(jī)理、刀具設(shè)計(jì)和工裝等方面對(duì)AFRP孔加工進(jìn)行了深入的研究。鄭雷等［5］對(duì)KFRP 鉆孔時(shí)材料的去除機(jī)理進(jìn)行分析，研制了燒結(jié)金剛石鉆頭和預(yù)壓應(yīng)力工藝裝置，可以有效減小制孔缺陷。高航等［6］對(duì)AFRP 制孔時(shí)毛刺的形成原因進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了金剛石磨粒鉆。劉思南等［7］對(duì)套環(huán)直徑對(duì)制孔缺陷的影響規(guī)律進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明選擇合適的套環(huán)直徑可以有效提高制孔質(zhì)量。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在加工方式和切削參數(shù)等方面對(duì)AFRP 的制孔進(jìn)行了研究，H.Chouhan［8］和B.S.Yilbas 等［9］使用激光加工的方法對(duì)KFRP 進(jìn)行孔加工研究。劉思南等［10］使用螺旋銑削工藝對(duì)KFRP進(jìn)行制孔實(shí)驗(yàn)研究。A.N.Shuaib等［11］通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出材料的厚度和切削參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響規(guī)律。

對(duì)纖維復(fù)合材料的銑削研究主要集中在碳纖維復(fù)合材料（CFRP）上，楊振朝等［12］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究纖維夾角和銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響規(guī)律。秦旭達(dá)等［13］對(duì)CFRP 建立正交切削模型，并且探究了纖維方向?qū)︺娤鞅砻尜|(zhì)量的影響規(guī)律。段春爭(zhēng)等［14］以刀具材料為變量進(jìn)行單因素CFRP 銑削實(shí)驗(yàn)。T.Yashiro 等［15］對(duì)CFRP 銑削溫度進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)得出隨著切削速度的增加，銑削溫度的增加速度逐漸減小，當(dāng)切削溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，即使切削速度繼續(xù)增加，切削溫度不再增大，溫度達(dá)到飽和狀態(tài)。王福吉等［16］提出了銑削CFRP 的二維表層面積損傷面積評(píng)價(jià)方法。國(guó)內(nèi)學(xué)者從刀具結(jié)構(gòu)和冷卻環(huán)境方面對(duì)AFRP 進(jìn)行銑削研究。劉思齊等［17］研究刀具螺旋角對(duì)銑削AFRP表面質(zhì)量和銑削力的影響。王鳳彪等［18］采用液氮冷卻方式對(duì)AFRP 進(jìn)行低溫銑削研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用液氮冷卻加工可以有效提高銑削表面質(zhì)量。王鳳彪等［19］在使用液氮冷卻銑削AFRP的基礎(chǔ)上，對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

對(duì)AFRP 的銑削研究主要集中在低溫銑削上，而在干切削條件下，刀具結(jié)構(gòu)和銑削參數(shù)對(duì)銑削力和加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律并不明晰。因此，研究AFRP 的銑削具有重要意義。本文對(duì)刀具結(jié)構(gòu)、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從銑削力、表面粗糙度以及加工表面主要缺陷形式等方面研究刀具結(jié)構(gòu)和銑削參數(shù)對(duì)銑削表面質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和設(shè)備

采用正交編織芳綸纖維復(fù)合材料板，試件尺寸120 mm×90 mm×4 mm。該AFRP 使用YB-02 型環(huán)氧樹(shù)脂，纖維體積分?jǐn)?shù)為62%。AFRP 板鋪15 層，總厚度為4 mm，每層厚度約為0.27 mm。

使用漢川XK714D 型立式數(shù)控銑床。實(shí)驗(yàn)使用9257B 型三向測(cè)力儀、5070A 型電荷放大器和Dyno Ware測(cè)力采集軟件進(jìn)行銑削力的采集。

使用四刃立銑刀、四刃波刃立銑刀和魚(yú)鱗銑刀等三種整體硬質(zhì)合金立銑刀，銑刀直徑6 mm，其中四刃立銑刀和四刃波刃立銑刀螺旋角55°，使用PN 涂層。四刃波刃銑刀是在四刃銑刀的基礎(chǔ)上將螺旋前刀面加工成波浪形螺旋面，魚(yú)鱗銑刀由許多切削刃單元組成。

使用TIME 3230 粗糙度儀，最高分辨率為0.01μm，最大取樣長(zhǎng)度8 mm，最大測(cè)量范圍800μm。

圖1 銑刀形貌Fig.1 Morphology of the milling tools

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。進(jìn)給方向銑削長(zhǎng)度23 mm，銑削寬度1 mm，軸向切削深度4 mm。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Processing parameters

由于芳綸纖維具有很高的韌性，在銑削過(guò)程中上下表面由于沒(méi)有支撐力，纖維受力彎曲，導(dǎo)致纖維不能被切斷，形成嚴(yán)重的毛邊缺陷，不利于結(jié)果分析，所以本實(shí)驗(yàn)在下表面墊一塊3 mm 厚的鋁板提供支撐作用。

芳綸纖維具有較強(qiáng)的吸濕性，使用切削液會(huì)影響芳綸纖維的性能，所以使用空氣壓縮冷卻方式進(jìn)行冷卻處理。

銑削示意圖見(jiàn)圖2。使用順銑的加工方式進(jìn)行銑削。

圖2 銑削示意圖Fig.2 Schematic of milling

2 結(jié)果與分析

2.1 銑削力

由于在銑削過(guò)程中軸向銑削力較小，遠(yuǎn)小于層合板之間的層間結(jié)合力，不會(huì)導(dǎo)致芳綸纖維復(fù)合材料的分層，所以本實(shí)驗(yàn)主要研究進(jìn)給方向和切深方向的銑削力的變化。

圖3是主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、不同進(jìn)給速度時(shí)使用四刃銑刀的銑削力變化。表2是不同進(jìn)給速度的銑削力值。當(dāng)進(jìn)給速度從0.01 增加為0.02/0.03 mm/r 時(shí)，F(xiàn)x分別增加16.5/60.7 N，F(xiàn)y分別增加9.1/28.6 N。從圖4可以看出銑削力隨進(jìn)給速度的增大而增大。這是由于在相同轉(zhuǎn)速下，隨著每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的增大，銑刀每旋轉(zhuǎn)一周切除的材料體積越大，切削所需的能量越多，克服切削的阻力越大，銑削力增加。

圖3 進(jìn)給速度與銑削力的關(guān)系Fig.3 Effect of feed rate on milling force

表2 不同進(jìn)給速度的銑削力Tab.2 Milling forces with different feed rates

圖4和表3是進(jìn)給速度為0.01 mm/r、使用四刃立銑刀在不同主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，銑削力值和銑削力與主軸轉(zhuǎn)速的折線圖。由圖5可以看出隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，主切削力Fx先增大，后減小。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速?gòu)? 000增加到4 000 r/min時(shí)，刀具的切削速度增加，材料的去除率增大，導(dǎo)致主切削力Fx增加。

復(fù)合材料層合板可以認(rèn)為由多個(gè)單層復(fù)合材料板組成。假設(shè)復(fù)合材料層合板中的樹(shù)脂基體和纖維之間不存在孔隙，則復(fù)合材料層合板的彈性模量和剛度的公式［20］如下所示:

式中，E1為復(fù)合材料1 方向的彈性模量，E2為復(fù)合材料2方向的彈性模量，Ef為AFRP的彈性模量，Em為樹(shù)脂基體的彈性模量，vf為纖維的體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Q為復(fù)合材料的剛度，ν2為縱向泊松比，ν21橫向泊松比。

在上述公式中，隨著溫度的升高Ef和vf幾乎不變，而樹(shù)脂的彈性模量Em會(huì)降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000增加到6 000 r/min 時(shí)，切削溫度增加，樹(shù)脂的彈性模量降低，所以復(fù)合材料層合板的彈性模量和剛度降低，導(dǎo)致主切削力Fx減小。由圖5可以看出進(jìn)給方向的銑削力Fy隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而逐漸減小，這是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，刀具的切削速度增加，導(dǎo)致進(jìn)給方向的銑削力Fy逐漸減小。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速與銑削力的關(guān)系Fig.4 Effect of spindle speeds on milling forces

表3 不同轉(zhuǎn)速的銑削力Tab.3 Milling force with different spindle speed

圖5是主軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、進(jìn)給速度為0.01 mm/r 時(shí)，使用不同刀具的銑削力對(duì)比。表4為使用不同刀具結(jié)構(gòu)的銑削力。

圖5 刀具結(jié)構(gòu)與銑削力的關(guān)系Fig.5 Effect of tool structures on milling force

從圖5和表4可以看出魚(yú)鱗銑刀的銑削力Fx、Fy最大，四刃波刃銑刀的銑削力Fx、Fy最小。銑削力產(chǎn)生較大差異的原因主要是刀具結(jié)構(gòu)的不同，波刃四刃銑刀是在四刃立銑刀的基礎(chǔ)上將螺旋前刀面加工為波形螺旋面，與后刀面形成波形切削刃，由于波形刃的結(jié)構(gòu)將一條螺旋切削刃分成許多短切削刃，相對(duì)于普通四刃立銑刀，四刃波刃銑刀的切削刃的切削距離變短，導(dǎo)致切削力減小。魚(yú)鱗銑刀由于是由許多切削單元組成，形成以銑代磨的效果，所以產(chǎn)生的銑削力較大。

表4 不同刀具結(jié)構(gòu)的銑削力Tab.4 Milling force with different tool structures

2.2 表面粗糙度

圖6是主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min 時(shí)、使用四刃立銑刀以不同進(jìn)給速度銑削AFRP 的表面粗糙度。當(dāng)進(jìn)給速度分別為0.01/0.02/0.03 mm/r 時(shí)，Ra分別為3.8847/4.073/5.381μm。從圖7可以看出隨著進(jìn)給速度的增加Ra也增加。隨著進(jìn)給速度的增加，銑刀每旋轉(zhuǎn)一周沿進(jìn)給方向的切削距離增加，導(dǎo)致部分纖維沒(méi)有被及時(shí)切斷，殘留在加工表面，形成毛刺，導(dǎo)致表面質(zhì)量較差。

圖6 進(jìn)給速度與表面粗糙度的關(guān)系Fig.6 Effect of feed rate on surface roughness

圖7為進(jìn)給速度為0.01 mm/r、使用四刃立銑刀銑削AFRP的表面粗糙度。

圖7 主軸轉(zhuǎn)速與表面粗糙度關(guān)系Fig.7 Effect of spindle speeds on surface roughnesses

當(dāng)進(jìn)給速度為0.01 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速分別為2 000/4 000/6 000 r/min 時(shí)，Ra分別為3.8847/4.4213/5.789 μm。從圖7可以看出隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，Ra也在增加，這是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，材料的去除率增加，導(dǎo)致起毛和撕裂缺陷變多，所以Ra較高。

圖8為主軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、進(jìn)給速度為0.01 mm/r 時(shí)，使用三種銑刀銑削芳綸纖維復(fù)合材料的粗糙度。使用四刃立銑刀、魚(yú)鱗銑刀和四刃波刃銑刀的Ra分別為4.421 3/3.182 7/3.833 7 μm，最大峰-谷值Rz分別是22.013 7/9.136 3/11.662 μm。對(duì)比四刃銑刀，魚(yú)鱗銑刀的Ra值降低1.238 6 μm，約28%，最大峰谷值Rz降低了12.877 4 μm，約58.5%。魚(yú)鱗銑刀由許多切削刃單元組成，比四刃銑刀切削刃更多，更鋒利更容易切斷芳綸纖維，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，每旋轉(zhuǎn)一周魚(yú)鱗銑刀參與切削的切削刃更多，對(duì)銑削表面的修磨作用比較好，形成了以銑代磨的效果，可以更好的切斷纖維；對(duì)比普通四刃立銑刀，四刃波刃銑刀Ra降低了0.587 6μm，最大峰-谷值Rz降低了10.351 7μm，這是由于四刃波刃銑刀是在普通四刃立銑刀的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)修磨而形成，將一條切削刃分成許多段短切削刃，更有利于切斷纖維，減小了撕裂缺陷，所以波刃銑刀的Ra、Rz值較小。

圖8 刀具結(jié)構(gòu)與表面粗糙度關(guān)系Fig.8 Effect of tool structures on surface roughnesses

2.3 表面缺陷

芳綸纖維復(fù)合材料加工過(guò)程中的缺陷形式主要有撕裂、起毛、毛邊等缺陷。撕裂缺陷是由于芳綸纖維復(fù)合材料纖維層的力載荷超過(guò)界面結(jié)合力，導(dǎo)致纖維和樹(shù)脂基體分離。起毛是由于纖維沒(méi)有被有效切斷，纖維從樹(shù)脂基體中被拔出，殘留在加工表面的現(xiàn)象。毛邊缺陷是由于復(fù)合材料在加工過(guò)程中，上下表面沒(méi)有支撐作用，導(dǎo)致纖維層受力彎曲退讓?zhuān)荒鼙挥行袛唷?/p>

圖9為主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min、不同進(jìn)給速度時(shí)使用四刃銑刀加工的銑削表面形貌。可以看出，圖9（b）、（c）圖的銑削表面的毛邊寬度分別為1.25 和1.00 mm，并且有長(zhǎng)纖維和毛絮殘留在已加工表面，在銑削表面有較多的微裂紋產(chǎn)生，而（a）圖的銑削表面的毛邊寬度為0.44 mm，較（b）、（c）圖的毛邊寬度分別小0.81 和0.56 mm，并且毛刺缺陷較少，銑削表面質(zhì)量最好。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速相同時(shí)，進(jìn)給速度增加，毛邊寬度、微裂紋和毛刺缺陷越嚴(yán)重。

圖9 不同進(jìn)給速度銑削表面形貌Fig.9 Surface morphologies with different feed rates

圖10是進(jìn)給速度為0.01 mm/r 時(shí)不同主軸轉(zhuǎn)速的銑削表面形貌?？梢钥闯?，圖10（b）、（c）圖的銑削表面有比較明顯的撕裂缺陷，毛邊寬度分別為1.31和0.59 mm，并且（b）圖有比較嚴(yán)重的微裂紋；（a）圖的銑削表面起毛面積較小、撕裂較少，毛邊寬度為0.44 mm，對(duì)比（b）、（c）圖的毛邊寬度分別小0.87 和0.14 mm，表面質(zhì)量最好?？梢钥闯鲭S著主軸轉(zhuǎn)速的增加，銑削表面的毛刺和毛絮缺陷在不斷增加，但是毛邊寬度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小。

圖10 不同轉(zhuǎn)速的銑削表面形貌Fig.10 Surface morphologies with different spindle speeds

圖11是主軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、進(jìn)給速度為0.01 mm/r 時(shí)，采用四刃銑刀、四刃波刃銑刀和魚(yú)鱗銑刀的銑削表面。

圖11 不同刀具銑削表面形貌Fig.11 Surface morphologies with different tool structures

可以看出:（a）圖加工表面纏繞著大量沒(méi)有被有效切斷的長(zhǎng)纖維；銑削表面的毛邊寬度為1.31 mm，并且毛邊和銑削表面之間有非常嚴(yán)重的微裂紋產(chǎn)生；（b）圖的加工表面有少量的微裂紋產(chǎn)生，加工表面殘留有短毛刺缺陷，并且?guī)缀鯖](méi)有毛邊產(chǎn)生，僅有半圓形的未切斷的纖維分布在切削表面邊緣；（c）圖的加工表面殘留有大量的未切斷的短纖維，并且毛邊寬度為0.84 mm。對(duì)比（a）、（b）、（c）圖可以發(fā)現(xiàn)（b）圖（采用魚(yú)鱗銑刀）的加工表面微裂紋數(shù)量較少，并且裂紋長(zhǎng)度和毛邊寬度較小。

3 結(jié)論

（1）對(duì)AFRP 進(jìn)行側(cè)銑實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)進(jìn)給速度增加時(shí)，銑刀每旋轉(zhuǎn)一周切除的材料體積增加，導(dǎo)致銑削力和表面粗糙度都隨之增加，當(dāng)進(jìn)給速度為0.01 mm/r 時(shí)銑削力和表面粗糙度最低，銑削表面質(zhì)量最好。

（2）由于芳綸纖維拉伸強(qiáng)度高、韌性好，當(dāng)采用較高的轉(zhuǎn)速銑削時(shí)，大量的纖維難以被切斷，導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速時(shí)，銑削表面質(zhì)量較差。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，銑削表面粗糙度最低，缺陷較少，銑削表面質(zhì)量最好。

（3）四刃波刃銑刀的銑削力最小，銑削表面粗糙度較低，但是銑削表面的峰-谷值較大，且表面粗糙度的波動(dòng)較大，銑削表面質(zhì)量不穩(wěn)定。魚(yú)鱗銑刀由許多單元切削刃組成，形成了以銑代磨的切削方式，切削刃對(duì)表面的修磨作用使得表面粗糙度最低，比四刃銑刀的粗糙度降低了28%。綜合考慮銑削表面粗糙度和銑削表面形貌，得出魚(yú)鱗銑刀可以抑制毛邊、微裂紋等缺陷，更適合于芳綸纖維復(fù)合材料的銑削加工。