AFRP激光-銑削組合加工及其工藝參數(shù)優(yōu)化研究

李文毅 蘇 飛 鄭 雷 陳 冰

（1 湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201）

（2 鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，鹽城 224051）

文 摘 針對(duì)芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）加工中極易出現(xiàn)抽絲拉毛、燒蝕等問(wèn)題，提出采用激光-銑削組合加工的工藝方法對(duì)AFRP 進(jìn)行試驗(yàn)研究，優(yōu)化AFRP 激光-銑削組合加工工藝參數(shù)。試驗(yàn)表明：與銑削加工相比，激光-銑削組合加工的切削溫度更低，切削力以及毛刺因子更小，且在加工中切削力波動(dòng)幅度小，銑削平穩(wěn)；AFRP激光-銑削組合加工中的最佳激光工藝參數(shù)為：激光功率P=20 W，掃描速度v=3 mm/s，脈沖寬度Lf=60 ns，重復(fù)頻率f=50 kHz；最佳銑削工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，進(jìn)給速度vf=105 mm/min，切削深度ap=0.5 mm。

0 引言

芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）具備比強(qiáng)度高、比模量大以及抗疲勞性能好等優(yōu)良性能，其中，以Kevlar 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料最為典型，在軍工、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。AFRP 屬于典型的難加工材料，加工中極易出現(xiàn)分層、拉毛、抽絲、燒蝕等缺陷，嚴(yán)重影響了AFRP 構(gòu)件的使用性能，制約了AFRP的推廣和應(yīng)用。

在機(jī)械加工中，AFRP 極易產(chǎn)生抽絲、拉毛、分層等缺陷，以及存在切屑難以排出、刀具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題［3］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)AFRP 加工進(jìn)行了大量研究。KOENIG 等［4］采用不同結(jié)構(gòu)的刀具進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，研究了刀具結(jié)構(gòu)對(duì)加工缺陷的影響；VENIALI等［5］指出刀具的幾何形狀對(duì)切削力和制孔質(zhì)量的影響遠(yuǎn)大于切削工藝參數(shù)；IC 等［6］通過(guò)對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料的銑削試驗(yàn)，指出進(jìn)給速度和切削深度越小，主軸轉(zhuǎn)速越大加工表面質(zhì)量越好；袁軍堂等［7］利用了不同材料的刀具對(duì)AFRP進(jìn)行了加工對(duì)比試驗(yàn)，分析了AFRP 切削特性和加工缺陷的產(chǎn)生原因。此外，WANG 等［8］和王晉宇［9］采用超低溫加工工藝對(duì)AFRP進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出超低溫環(huán)境能有效降低AFRP韌性，降低AFRP切削斷裂難度。

為避免AFRP 機(jī)械加工中抽絲拉毛等缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列AFRP 的激光加工研究，在加工質(zhì)量的評(píng)價(jià)和熱損傷缺陷的抑制等方面獲得了大量研究成果［10-13］。SULAIMAN 等［10］對(duì)比分析了AFRP傳統(tǒng)鉆削制孔和激光打孔的加工效果；TAWEEL等［11］研究了工藝參數(shù)對(duì)切縫寬度和切縫錐度的影響，通過(guò)方差分析對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；楊劍等［12］采用不同波長(zhǎng)的皮秒激光進(jìn)行了AFRP 切割試驗(yàn)，指出與紅外激光和綠光激光切割A(yù)FRP相比，紫外激光切割對(duì)切縫截面處纖維損傷最小，切割效率最高。AFRP 激光加工能夠有效避免分層、撕裂等缺陷的產(chǎn)生，但在多數(shù)情況下激光加工所能達(dá)到的最大加工厚度均小于3 mm，且加工區(qū)域的切縫存在一定錐度［13］等。另外，短脈沖激光加工AFRP 時(shí)，主要通過(guò)熱效應(yīng)去除材料，在加工區(qū)域極易產(chǎn)生熱影響區(qū)，影響工件的使用性能。

近年來(lái)，激光輔助加工逐漸應(yīng)用于陶瓷材料、鈦合金及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等難加工材料的加工中［14-16］。DANDEKAR等［15］對(duì)氧化鋁纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了激光輔助加熱切削，指出在相同切削參數(shù)下，將切削區(qū)的溫度提高300 °C，刀具磨損、表面粗糙度、比切削能比常規(guī)切削可降低65%；PARK 等［16］提出了一種激光直接輔助加熱切削的方法，采用激光束透過(guò)專(zhuān)用的藍(lán)寶石刀具直接照射在加工區(qū)域，指出這種方法不僅能夠降低激光輻照后的能量損失，提升激光能量的利用率，還能使加工質(zhì)量得到進(jìn)一步的提升。以上研究均表明激光輔助加工技術(shù)可以明顯提高難加工材料的加工質(zhì)量，然而，目前對(duì)于AFRP激光輔助加工的研究鮮有報(bào)道。

為了提高AFRP 的加工質(zhì)量，課題組在現(xiàn)有條件下提出了采用激光-銑削組合加工的工藝方法對(duì)AFRP 進(jìn)行試驗(yàn)研究［17］。研究表明，AFRP 激光銑削組合加工不僅能有效避免拉毛、抽絲現(xiàn)象的產(chǎn)生，還能去除部分激光加工產(chǎn)生的熱影響區(qū)。當(dāng)前，對(duì)于AFRP 激光-銑削組合加工進(jìn)行了加工機(jī)理方面的分析，相關(guān)的研究仍需進(jìn)一步深入系統(tǒng)研究。

本文基于激光-銑削組合加工的工藝方法，通過(guò)對(duì)AFRP 激光-銑削組合加工和銑削加工進(jìn)行對(duì)比，分析銑削工藝參數(shù)對(duì)AFRP激光-銑削組合加工的影響規(guī)律，采用正交實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)激光-銑削組合加工中激光加工階段和銑削階段分別進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)，擬獲得AFRP 激光-銑削組合加工的最佳工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

所用材料為平紋編織芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料（AFRP），纖維體積分?jǐn)?shù)為60%，單根纖維的直徑約為12 μm，單層厚度為0.3 mm，板厚為5 mm。采用的激光設(shè)備為奧瑞那激光設(shè)備生產(chǎn)的納秒激光打標(biāo)機(jī)，主要由光學(xué)平臺(tái)、納秒Nd：YAG 激光光源（激光波長(zhǎng)為1.064 μm）、工作臺(tái)等組成。光束能量符合高斯分布，調(diào)焦后垂直照射到工件表面上，對(duì)AFRP進(jìn)行激光加工，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental steps

銑削試驗(yàn)中采用了普通四刃和魚(yú)鱗刃整體硬質(zhì)合金立銑刀，刀具直徑均為3 mm。在KVC1050M 立式加工中心上采用無(wú)冷卻方式進(jìn)行銑槽試驗(yàn)。銑削過(guò)程中，采用 Kistler9253B23 型測(cè)力系統(tǒng)測(cè)試切削力、FLIR-SC325 紅外測(cè)溫儀測(cè)量切削溫度。試驗(yàn)后，采用超景深體視顯微鏡、掃描電鏡（SEM）及其附帶軟件觀測(cè)加工表面形貌。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 單獨(dú)銑削和激光-銑削組合加工對(duì)比試驗(yàn)

為了對(duì)比分析AFRP單獨(dú)銑削和激光-銑削組合加工效果，銑削加工和激光-銑削組合加工中的銑削階段采用主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，在進(jìn)給速度vf分別為105、210、315、420 mm/min 下進(jìn)行試驗(yàn)。其中，激光工藝參數(shù)：激光功率P為40 W、掃描速度v為3 mm/s、重復(fù)頻率f為200 kHz、脈沖寬度Lf為20 ns。

由于考慮到激光光斑較小，整個(gè)熱影響區(qū)的寬度較小，為匹配銑削刀具直徑，在激光-銑削試驗(yàn)中，首先，激光按“U”形軌跡加工，再將銑刀中心線(xiàn)與“U”形軌跡的中心軸線(xiàn)對(duì)齊進(jìn)行銑削，如圖2所示。

圖2 激光U形軌跡Fig.2 Laser U-shaped trace

1.2.2 激光-銑削組合加工單因素試驗(yàn)

為了分析銑削加工工藝參數(shù)對(duì)激光-銑削組合加工的影響規(guī)律，在P為40 W、v為3 mm/s、f為200 kHz、Lf為20 ns 下對(duì)AFRP 進(jìn)行銑削工藝參數(shù)試驗(yàn)。其中，n在2 000～5 000 r/min 內(nèi)取值（取值間距為1 000 r/min），vf在105～420 mm/min內(nèi)取值（取值間距為105 mm/min），ap在0.5～1.1 mm 內(nèi)取值（取值間距為0.2 mm）。

1.2.3 激光-銑削組合加工參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)

對(duì)激光-銑削組合加工中的激光加工階段、銑削加工階段分別采用L16（45）正交試驗(yàn)法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在銑削加工階段，刀具中心線(xiàn)均與激光路徑“U”的中心線(xiàn)對(duì)齊。

激光加工階段正交試驗(yàn)如表1 和表2 所示，銑削實(shí)驗(yàn)階段正交試驗(yàn)如表3 和表4 所示。其中，空列作為誤差列。

表1 激光加工的因素水平Tab.1 Laser processing factor level

表2 L16（45）激光加工正交試驗(yàn)Tab.2 L16（45）Orthogonal experiments of laser machining

表3 銑削階段的因素及水平Tab.3 Factors and levels in milling stage

表4 L16（45）銑削階段正交試驗(yàn)Tab.4 L16（45）Orthogonal experiments of milling

1.3 加工評(píng)價(jià)方法

AFRP 激光加工的熱影響區(qū)可分為切縫區(qū)、炭化區(qū)、熔融區(qū)，如圖3所示。其中，切縫區(qū)截面近似為倒三角形，炭化區(qū)和熔融區(qū)截面近似為梯形。采用上表面炭化寬度（Wk1）、上表面熔融區(qū)寬度（Wk2）、炭化區(qū)錐度（θ）、上表面熔融區(qū)寬度（Wk2）與上表面炭化寬度（Wk1）的差值（Δ）作為AFRP 激光加工的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中，炭化區(qū)錐度θ：

式中，h1為炭化區(qū)深度，Wk3為炭化區(qū)截面梯形的下底寬度。

對(duì)于AFRP銑削加工和激光-銑削組合加工中的銑削階段，采用毛刺因子（Km）作為銑削加工的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖3（b）所示。

式中，D為銑刀直徑，L為槽兩側(cè)毛刺損傷最大寬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 AFRP激光-銑削組合加工與銑削加工對(duì)比分析

2.1.1 加工效果對(duì)比分析

AFRP 激光-銑削組合加工和銑削加工的加工表面形貌如圖4所示。其中，銑削工藝參數(shù)均為主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min、進(jìn)給速度vf=420 mm/min、切削深度ap=0.5 mm。

圖4 加工表面形貌對(duì)比Fig.4 Comparison of surface morphology

由圖4（a）和（b）可見(jiàn)，采用魚(yú)鱗刃銑刀和四齒銑刀進(jìn)行銑槽時(shí)，槽邊易形成抽絲拉毛現(xiàn)象，槽邊輪廓模糊。芳綸纖維屬于高韌性材料，銑刀與纖維相互作用時(shí)纖維未能及時(shí)被切斷，抽絲拉毛現(xiàn)象明顯。同時(shí)，包裹在纖維表面的樹(shù)脂基體在銑刀的擠壓作用下從槽邊被擠出。

由圖4（c）和（d）可見(jiàn)，采用魚(yú)鱗刃銑刀進(jìn)行AFRP 激光-魚(yú)鱗刃銑刀銑削組合加工時(shí)，槽壁纖維能被及時(shí)切除，形成齊整的槽邊，幾乎無(wú)抽絲拉毛現(xiàn)象產(chǎn)生；但采用四齒銑刀進(jìn)行激光-銑削組合加工，雖然纖維能被切除，但槽邊纖維呈疏散狀，呈現(xiàn)拉毛現(xiàn)象。AFRP 在激光輻射后其性能發(fā)生了不同程度的改變，芳綸纖維被燒蝕嚴(yán)重甚至炭化，在銑削時(shí)發(fā)生脆性斷裂，進(jìn)而炭化區(qū)的芳綸纖維在四齒銑刀和魚(yú)鱗刃銑刀銑削時(shí)均易于被切除。但相比于四齒銑刀銑削，魚(yú)鱗刃刀具結(jié)構(gòu)加工效果更理想。

圖5 為魚(yú)鱗刃銑刀的加工微觀形貌圖。由圖可見(jiàn)，AFRP 激光-銑削組合加工時(shí)，炭化纖維在切削過(guò)程中呈現(xiàn)脆性斷裂，斷口較為齊整，能夠把激光加工產(chǎn)生的炭化區(qū)整體去除，且基本無(wú)新加工缺陷的產(chǎn)生。而單獨(dú)銑削加工時(shí)，纖維出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，產(chǎn)生嚴(yán)重抽絲拉毛現(xiàn)象。

圖5 微觀形貌特征對(duì)比Fig.5 Comparison of microscopic morphology characteristics

圖6為不同進(jìn)給速度下毛刺因子的變化規(guī)律（圖中，下標(biāo)1表示單獨(dú)銑削加工，下標(biāo)2表示激光-銑削組合加工，下標(biāo)a表示加工刀具為魚(yú)鱗刃銑刀，下標(biāo)b表示加工刀具為四齒銑刀）。由圖可見(jiàn)，隨著進(jìn)給速度的增加，四齒銑刀和魚(yú)鱗刃銑刀加工的毛刺因子呈增大趨勢(shì)，且與單獨(dú)銑削加工相比，激光-銑削組合加工的毛刺因子明顯減小。由此可見(jiàn)，AFRP加工中的抽絲拉毛現(xiàn)象在激光-銑削組合加工過(guò)程中能被有效控制。

圖6 毛刺因子對(duì)比Fig.6 Comparison of burr factors

另外，為詳細(xì)分析銑削工藝參數(shù)對(duì)毛刺因子的影響規(guī)律，采用魚(yú)鱗刃銑刀在不同主軸轉(zhuǎn)速和切削深度下進(jìn)行激光-銑削加工試驗(yàn)，分析毛刺因子對(duì)主軸轉(zhuǎn)速和切削深度的影響規(guī)律，如圖7所示。

圖7 主軸轉(zhuǎn)速和切削深度對(duì)毛刺因子的影響規(guī)律Fig.7 Influence rule of spindle speed and cutting depth on burr factor

由圖可見(jiàn)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，AFRP 激光銑削組合加工的毛刺因子呈增加趨勢(shì)，主軸轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 增加到5 000 r/min，毛刺因子從1.03 增加至1.17；隨著切削深度的增加，毛刺因子呈增大趨勢(shì)，切削深度從0.5 增加到1.1 mm，毛刺因子從1.03 增加至1.1。在一定激光工藝參數(shù)條件下，激光加工深度有限，銑削深度增加到一定程度時(shí)，槽底部材料基本為未被激光影響的原材料，此時(shí)，造成排屑困難，進(jìn)而導(dǎo)致毛刺損傷變嚴(yán)重。

2.1.2 切削力和切削溫度時(shí)變特征對(duì)比分析

采用魚(yú)鱗刃銑刀在銑削參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min、進(jìn)給速度vf=315 mm/min、切削深度ap=0.5 mm下分析切削力的時(shí)變特征，如圖8所示。

圖8 銑削力的時(shí)變曲線(xiàn)Fig.8 Time-varying curves of milling forces

由圖可見(jiàn)，與單獨(dú)銑削相比，激光-銑削組合加工的三向切削力Fx、Fy、Fz最大值均有明顯地降低，且在穩(wěn)定切削階段切削力Fx、Fy的波動(dòng)幅度也有明顯減小。其原因在于，AFRP 在激光輻照后，材料被熔融、炭化，強(qiáng)度、韌性均降低，纖維和樹(shù)脂更易被切除，切削抗力減小，切削力波動(dòng)幅度也減小，加工更平穩(wěn)。

同理，采用魚(yú)鱗刃銑刀在銑削參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min、進(jìn)給速度vf=315 mm/min、切削深度ap=0.5 mm 下分析切削溫度的時(shí)變特征，如圖9 所示。圖中，T1L、T1R分別為銑削加工過(guò)程中槽底左側(cè)和右側(cè)的溫度曲線(xiàn)，T2L、T2R分別為激光-銑削組合加工過(guò)程中槽底左側(cè)和右側(cè)的溫度曲線(xiàn)。

圖9 切削溫度的時(shí)變曲線(xiàn)Fig.9 Time-varying curves of temperature

由圖可見(jiàn)，AFRP 在激光-銑削組合加工和銑削加工的切削溫度時(shí)變軌跡較為相似。但在相同銑削工藝參數(shù)的條件下，與單獨(dú)銑削的切削溫度相比，激光-銑削組合加工的切削溫度明顯減小。其原因在于，AFRP 在激光輻照后，芳綸纖維和樹(shù)脂基體發(fā)生質(zhì)變，材料強(qiáng)度、韌性下降，材料易被去除，AFRP 與刀具之間的切削抗力和摩擦力均降低，因此，AFRP在激光-銑削組合加工時(shí)的切削溫度更低。

此外，在整個(gè)加工過(guò)程中溫度變化均可以劃分成Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段。

在Ⅰ階段內(nèi)，銑刀逐漸切入工件，切削溫度逐漸升高。這是由于銑刀逐漸切入AFRP，銑刀需要切除的材料厚度增大，切削溫度升高，同時(shí)，左側(cè)為切入側(cè)，右側(cè)為切出側(cè)，因此，右側(cè)槽底的切削溫度（T1R和T2R）比左側(cè)槽底的切削溫度（T1L和T2L）略高。

在Ⅱ階段內(nèi)，銑刀完全進(jìn)入工件，銑刀的切削層厚度基本均勻，切削力趨于穩(wěn)定，切削溫度也基本維持穩(wěn)定。

2.1.3 切削力和切削溫度的對(duì)比分析

在相同進(jìn)給速度下，對(duì)比分析了魚(yú)鱗刃銑刀和四齒銑刀的最大切削力值隨進(jìn)給速度的變化規(guī)律，如圖10所示。由圖可見(jiàn)，在單獨(dú)銑削加工過(guò)程中，隨著進(jìn)給速度的增加，四齒銑刀和魚(yú)鱗刃銑刀的切削力Fx、Fy、Fz均不斷增大。而在激光-銑削組合加工過(guò)程中，兩者的切削力均呈減小趨勢(shì)。

圖10 切削力隨進(jìn)給速度的變化規(guī)律Fig.10 Changes of milling forces with feed speed

圖11為不同進(jìn)給速度下最高切削溫度隨進(jìn)給速度的變化規(guī)律。由圖可見(jiàn)，在相同進(jìn)給速度下，激光-銑削組合加工的切削溫度均比銑削加工的切削溫度要小。隨著進(jìn)給速度的增加，銑削加工的最高切削溫度呈不斷增大趨勢(shì)，而激光-銑削組合加工的最高切削溫度呈不斷減小趨勢(shì)，這一變化規(guī)律與進(jìn)給速度對(duì)切削力的影響較為一致。當(dāng)進(jìn)給速度從105 mm/min 增大到420 mm/min 時(shí)，魚(yú)鱗刃銑刀銑削的最高切削溫度從107.5 增大到122.9°C，而激光加工后采用魚(yú)鱗刃銑刀銑削的最高切削溫度從62.6減小到40.8°C，四齒銑刀銑削的最高切削溫度從95.4增大到107.6°C，激光加工后采用魚(yú)鱗刃銑刀銑削的最高切削溫度從52.8減小到24.4°C。

圖11 切削溫度的對(duì)比分析Fig.11 Comparison of milling temperatures

此外，采用魚(yú)鱗刃銑刀在不同主軸轉(zhuǎn)速和切削深度下對(duì)切削力和切削溫度最大值進(jìn)行了分析，如圖12 所示。由圖12（a）可見(jiàn)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切削力Fx、Fy、Fz以及切削溫度均呈整體增大趨勢(shì)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在2 000～5 000 r/min內(nèi)時(shí)，切削力Fx、Fy、Fz最大值分別達(dá)到43、30.4、27.7 N，切削溫度最高達(dá)到84.3 °C。由圖12（b）可見(jiàn)，隨著切削深度的增大，切削力Fx、Fy、Fz以及切削溫度亦均呈整體增大趨勢(shì)，當(dāng)切削深度從0.5 mm 增大到1.1 mm，切削力Fx從20.8 增加到54.5 N，切削力Fy從12.1 增加到52.1 N，切削力Fz從8.7 增加到22.5 N，切削溫度從42.8增加到261.2 °C。

圖12 主軸轉(zhuǎn)速和切削深度對(duì)切削力和切削溫度的影響Fig.12 Influence of spindle speed and cutting depth on milling temperatures and forces

綜上所述，與銑削加工相比，AFRP 在激光加工后的性能發(fā)生改變，切削去除難度下降，切削力和切削溫度均減小。但由于激光-銑削組合加工中的影響因素較多，需進(jìn)一步對(duì)激光-銑削組合加工的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 激光-銑削組合加工工藝參數(shù)優(yōu)化

AFRP 激光加工的熱影響區(qū)與未受熱影響的原材料在銑削加工時(shí)的去除效果存在明顯差異。其中，炭化區(qū)能被輕松去除，熔融區(qū)材料由于樹(shù)脂對(duì)纖維的包裹性降低，造成纖維在銑削階段易發(fā)生回彈，纖維不能及時(shí)被切斷，在切削階段形成新的加工缺陷。在激光-銑削組合加工銑槽時(shí)，當(dāng)槽邊界在炭化區(qū)內(nèi)時(shí)，槽邊切削齊整，幾乎不產(chǎn)生新的加工缺陷。當(dāng)槽邊界在熔融區(qū)時(shí)，熔融區(qū)的部分纖維不能被切斷，易產(chǎn)生新的加工缺陷。同時(shí)，由于激光加工熱影響區(qū)呈一定錐度，隨著銑削深度增加，槽底層未被熱影響的材料隨之增加，影響刀具切削性能。因此，在激光-銑削組合加工中，激光加工后形成的炭化區(qū)寬度、熔融區(qū)寬度應(yīng)與刀具直徑和激光“U”形軌跡寬度相匹配，盡可能使銑槽的槽邊位于炭化區(qū)與熔融區(qū)的邊界上，而且熔融區(qū)寬度和炭化區(qū)錐度應(yīng)盡可能小。

基于上述分析，一方面，為了詳盡獲得激光參數(shù)、銑削工藝參數(shù)對(duì)炭化區(qū)寬度、熔融區(qū)寬度、加工質(zhì)量等的影響規(guī)律；另一方面，由于激光-銑削組合加工工藝參數(shù)主要包含4 個(gè)激光工藝參數(shù)和3 個(gè)銑削工藝參數(shù)，影響最終加工質(zhì)量的因素諸多，為了盡量減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，盡可能詳細(xì)地分別分析激光工藝參數(shù)和銑削工藝參數(shù)對(duì)加工效果的影響規(guī)律，分別針對(duì)激光工藝參數(shù)和銑削工藝參數(shù)進(jìn)行4 水平5 因素的L16（45）正交試驗(yàn)，提高激光-銑削組合加工效果，盡可能去除熱影響區(qū)材料，減少抽絲拉毛現(xiàn)象。

2.2.1 激光加工參數(shù)優(yōu)化

激光加工階段產(chǎn)生的炭化區(qū)寬度與熔融區(qū)寬度的差值（Δ）、炭化區(qū)寬度（Wk1）、熔融區(qū)寬度（Wk2），以及炭化區(qū)錐度（θ）對(duì)銑削加工階段的加工效果有一定影響，為此，選以上參數(shù)作為激光加工的優(yōu)化目標(biāo)，其中，炭化區(qū)寬度與融區(qū)寬度的差值越小、炭化區(qū)寬度越寬、熔融區(qū)寬度越窄、炭化區(qū)錐度越小，對(duì)銑削加工效果越有利。

采用表1所示的正交試驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差和方差分析，得到表5和表6所示的結(jié)果。

表5 激光加工正交試驗(yàn)極差分析Tab.5 Range analysis of orthogonal experiment of laser machining

表6 激光加工正交試驗(yàn)方差分析Tab.6 Analysis of orthogonal experiment in laser machining

由表5 可見(jiàn)，對(duì)炭化區(qū)寬度（Wk1）的影響程度最大的是掃描速度，其次是功率；掃描速度、功率、脈寬、重頻對(duì)熔融區(qū)寬（Wk2）度影響程度依次降低，掃描速度、功率、脈寬、重頻對(duì)熔融區(qū)寬度與炭化區(qū)寬度的差值（Δ）影響程度依次降低，對(duì)炭化區(qū)錐度（θ）影響程度最大的是功率，其次是掃描速度，脈寬和重頻對(duì)炭化區(qū)錐度影響較小。

由表6可見(jiàn)，掃描速度分別對(duì)炭化區(qū)錐度（θ）、炭化區(qū)寬度（Wk1）、熔融區(qū)寬（Wk2）以及兩者差值的影響均呈高度顯著，功率對(duì)炭化區(qū)錐度（θ）、炭化區(qū)寬度（Wk1）、熔融區(qū)寬（Wk2）以及兩者差值亦呈顯著影響，尤其是對(duì)炭化區(qū)寬度與熔融區(qū)寬度差值（Δ）的影響。從極差和方差分析可知掃描速度、功率對(duì)炭化區(qū)寬度（Wk1）、熔融區(qū)寬（Wk2）的影響均較大。由于熔融區(qū)材料銑削時(shí)易產(chǎn)生抽絲拉毛現(xiàn)象，炭化區(qū)材料易于去除且切削齊整。因此，激光加工最佳參數(shù)首先應(yīng)使炭化區(qū)寬度和熔融區(qū)寬度的差值最小，故最佳激光加工方案第一項(xiàng)選擇掃描速度v=3 mm/s，進(jìn)一步考慮炭化區(qū)寬度和熔融區(qū)寬度要求，工藝方案第二選擇功率P=20 W，第三選擇脈寬Lf=60 ns，通過(guò)前三項(xiàng)工藝參數(shù)的選擇，基本可以達(dá)到最佳加工效果，綜合平衡分析，重復(fù)頻率選擇f=50 kHz。

2.2.2 銑削加工階段工藝參數(shù)優(yōu)化

在激光工藝參數(shù)功率P=40 W、掃描速度v=3 mm/s、重頻f=200 kHz、脈寬Lf=20 ns條件下，按“U”型軌跡加工，隨后按照表3中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，采用魚(yú)鱗刃銑刀進(jìn)行銑削正交試驗(yàn)。以切削力（Fx、Fy、Fz）、切削溫度（t）和毛刺因子（Km）作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化。

由表7 和表8 可知，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力Fy和Fz、毛刺因子的影響均達(dá)到高度顯著，對(duì)切削力Fx的影響達(dá)到顯著；進(jìn)給速度僅對(duì)切削力Fy的影響達(dá)到顯著；切削深度對(duì)切削力Fx和Fy切削溫度的影響均達(dá)到高度顯著，對(duì)切削力Fz的影響達(dá)到顯著。以毛刺因子最小為目的，基于顯著性分析可知，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度以n=2 000 r/min，vf=105 mm/min，ap=0.5 mm 為最佳；以切削力、切削溫度最小為目的，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度以n=2 000 r/min，vf=420 mm/min，ap=0.5 mm 為最佳。通過(guò)前面分析可知，進(jìn)給速度對(duì)切削力、切削溫度的影響幅度較低，因此，綜合考慮，激光-銑削組合加工銑削加工階段的最優(yōu)參數(shù)可選n=2 000 r/min，vf=105 mm/min，ap=0.5 mm。

表7 銑削加工階段正交試驗(yàn)極差分析Tab.7 Range analysis of orthogonal experiment in milling stage

表8 激光-銑削組合加工銑削階段方差分析結(jié)果Tab.8 Analysis of orthogonal experiment in milling stage

3 結(jié)論

（1）與銑削加工相比，AFRP 激光-銑削組合加工能有效降低切削力和切削溫度，加工過(guò)程更為平穩(wěn)，抽絲拉毛現(xiàn)象能得到有效控制，加工質(zhì)量更好。

（2）隨著主軸轉(zhuǎn)速和切削深度的增加，激光-銑削組合加工的切削溫度、切削力、毛刺因子逐漸增加；隨著進(jìn)給速度的增加，激光銑削-組合加工的切削溫度、切削力逐漸減少，而毛刺因子呈增加趨勢(shì)。

（3）激光-銑削組合加工AFRP 中的最佳激光工藝參數(shù)為：P=20 W，v=3 mm/s，Lf=60 ns，f=50 kHz；最佳銑削工藝參數(shù)為：n=2 000 r/min，vf=105 mm/min，ap=0.5 mm。