碳纖維增強復(fù)合材料車削表面質(zhì)量分析

劉啟抱 潘 韻 李朋欣 賈書躍 孫二龍

（1 上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112）

（2 上海航天樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

0 引言

本文中短切碳纖維/酚醛是以具有特定長度的黏膠基碳纖維為增強體，以氨酚醛樹脂為基體，經(jīng)過高溫固化形成的復(fù)合材料。該類制品具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、耐高溫、耐燒蝕特點［1］，其經(jīng)過機械加工，可形成各種可滿足使用的輪廓，因此在戰(zhàn)術(shù)武器領(lǐng)域的耐燒蝕部件中廣泛應(yīng)用。隨著對復(fù)合材料制品的加工和檢測能力的提升，對短切碳纖維/酚醛制品經(jīng)機械加工以后的表面質(zhì)量提出了新的要求［2］。因此，需要對機械加工的表觀質(zhì)量影響因素進行研究，以獲得最佳表觀質(zhì)量的加工參數(shù)。

復(fù)合材料制品與金屬制品的材料特性不同，因此兩者的表面粗糙度的測量方式有所差異，2D 測量已無法滿足測量要求［3］。學者們通過研究加工缺陷的形成過程和3D 測量分析機理，對復(fù)合材料的表面粗糙度進行預(yù)測。艾傳智等［4-5］通過開展C/C 和C/Ph復(fù)合材料的加工表面缺陷研究，通過對比2D和3D研究，得到了C/C復(fù)合材料的三維測量評定方法。何維軍等［6］應(yīng)用分形、小波理論，以加工表面SEM 灰度圖像為研究對象，對CFRP 加工表面形貌特征進行研究，得到了CFRP 的三維測量評定方法。通過3D 表面粗糙度的測量已在多種材料表面質(zhì)量的試驗中得到應(yīng)用，但鮮有在本文中涉及材質(zhì)的相關(guān)應(yīng)用。

本文以PCD 刀具車削加工短切碳纖維/酚醛復(fù)合材料的表觀質(zhì)量為研究對象，開展正交試驗，采用3D 測量技術(shù)，研究切削三要素和刀尖圓弧半徑對工件加工質(zhì)量的影響。通過Design Expert軟件，對加工因素的顯著性進行分析，獲得顯著因素和最佳加工因素組合，最后利用加工驗證試驗和預(yù)測模型驗證兩種方式，對正交試驗結(jié)論進行驗證。

1 正交試驗

1.1 材料

試驗選用的工件材料為短切碳纖維（T300）氨酚醛樹脂復(fù)合材料，彎曲強度≥88 MPa，壓縮強度≥128 MPa，氧乙炔燒蝕率≤0.045 mm/s，纖維（60±5）vol%，試驗件規(guī)格Φ20 mm×200 mm。

1.2 設(shè)備

本次試驗采用寶雞機床SK50P 機床，見圖1。選用日本NTK 的CCGW09T302-2 型PCD 數(shù)控刀片開展切削試驗，見圖2。刀具參數(shù)如表1所示。

圖1 加工用機床Fig.1 Machining tool used in processing

圖2 加工用刀具Fig.2 Tool used in the machining process

表1 刀具幾何參數(shù)Tab.1 Tool geometry parameters

采用Alicona Imaging GmbH 公司生產(chǎn)，型號為A-8074的3D微觀表面測量設(shè)備，對加工后表面的表面粗糙度進行測量。

1.3 試驗方案

試驗選用SK50P 數(shù)控車床，切削條件為干式，車削加工。由于切削三要素和刀尖圓弧是主要影響因素，所以選擇切削速度v、進給量f、背吃刀量ap和刀尖圓弧半徑r按四水平進行正交試驗，試驗因素水平表如表2所示，選擇L16（45）正交表，其中最后一列按空列開展正交分析。為了減少測量誤差，每個參數(shù)測3組取平均值。

表2 正交試驗因素水平表Tab.2 Factors and level of orthogonal test

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

根據(jù)正交試驗的原則，共開展16 組不同加工參數(shù)下的正交加工試驗，測量每一組加工后的表面粗糙度3次取平均值，見表3。通過正交試驗分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四個因素在給定顯著性水平α=0.05 下的顯著性影響從大到小依次為：刀尖圓弧r（2.389）、進給量f（1.113）、切削速度v（0.389）、切削深度ap（0.109），且r和f的顯著性F比超過1，因此為顯著性因素，其余兩個為不顯著因素。獲得最小表面粗糙度的組為v=160 r/min，f=0.15 mm/r，ap=0.6 mm，r=0.6 mm。對每種材料的加工均值進行數(shù)據(jù)整理，繪制單個因素對應(yīng)下的表面粗糙度表，并對變形趨勢及產(chǎn)生的原因進行分析。

表3 正交試驗及結(jié)果Tab.3 Orthogonal test and the result

2.1.1 切削速度對表面粗糙度影響

從圖3可以看出，隨著切削速度的增加，表面粗糙度呈增大趨勢，且曲線較為平緩，說明該種材質(zhì)的材料在本試驗條件下的切削速度對表面粗糙度的影響變化不大。

圖3 切削速度與表面粗糙度關(guān)系Fig.3 Relationship between the cutting speed and the surface roughness

2.1.2 進刀量對表面粗糙度影響

從圖4可以看出，隨著進給量的增大，表面粗糙度呈現(xiàn)增大的趨勢，曲線變化由先平滑，后急速上升的情況。說明表面粗糙度隨著進給量的增加，呈逐漸增大趨勢，且后期的增大趨勢加劇。

圖4 進給量與表面粗糙度關(guān)系Fig.4 Relationship between the feed rate and the surface roughness

以圖5（第14 組試驗照1）為例，隨著進給量的增大，相鄰兩個波峰或者波谷的寬度增大，隨著寬度的增大，原本有加工重疊的部分逐漸變小，從而導(dǎo)致表面粗糙度增大。至于當增大到一定程度后，出現(xiàn)急劇變化的情形，筆者認為跟材料的可加工性相關(guān)，非金屬材料的表觀與有色金屬材料不同，材料本體表面抗拉伸強度不大，因此大的進給量可以導(dǎo)致表面裂紋出現(xiàn)，導(dǎo)致表面粗糙度急劇增大。

圖5 表觀形貌Fig.5 Surface topography

2.1.3 切削深度對表面粗糙度影響

從圖6可以看出，隨著切削深度的增大，表面粗糙度呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢，且變化范圍較小，說明切削深度對表面粗糙度的影響較小。這是因為切削深度影響最大的材料的待加工表面，而待加工表面是經(jīng)過車削加工過程逐漸消失的，且切屑是粉末狀的，對材料的本體的擠壓影響較小。

圖6 切削深度與表面粗糙度關(guān)系Fig.6 Relationship between the cutting depth and the surface roughness

2.1.4 刀尖圓弧對表面粗糙度影響

從圖7可以看出，隨著刀尖圓弧的增大，表面粗糙度呈逐漸減小的趨勢，且減小的趨勢較明顯。說明刀尖圓弧半徑對加工的影響較大，而且是刀尖圓弧半徑越大，表面粗糙度越小，這與有色金屬加工有著明顯的不一致。非金屬的切屑屬于破碎的粉末，加工過程中刀尖對材料的擠壓區(qū)域?qū)σ鸭庸け砻娴膲毫ο鄬^小，影響加工后的表面粗糙度的主要影響就是刀尖圓弧半徑。如圖8所示，在其他加工要素相同的情況下，R1刀具車削以后的表面殘留高度h1明顯小于R2對應(yīng)的車削后的殘留高度h2。

圖7 刀尖圓弧與表面粗糙度關(guān)系Fig.7 Relationship between the tips and the surface roughness

圖8 不同刀尖圓弧下的殘留高度對比Fig.8 Comparison of residual height with different tool tips

2.2 試驗驗證

2.2.1 預(yù)測模型對顯著性因素的驗證

為了有效預(yù)測車削短切碳纖維/酚醛復(fù)合材料制品加工后的表面粗糙度，需建立加工要素對表面粗糙度的關(guān)系。假設(shè)表面粗糙度是4 個獨立變量的指數(shù)函數(shù)，其函數(shù)公式可表示為：

式中，C0為常數(shù)。

采用最小二乘法的原理，對預(yù)測模型（1）的回歸系數(shù)進行參數(shù)估計，也就是：

式中，B為回歸系數(shù)的參數(shù)估計，X為獨立變量矩陣，Y為表面粗糙度矩陣。

將各矩陣的數(shù)值輸入矩陣處理軟件進行計算，得到如下結(jié)果：

由表面粗糙度經(jīng)驗公式可知，對該種復(fù)合材料制品的表面粗糙度主要影響因素是刀尖圓弧和進給量，切削速度和切削深度的影響較小，由此可以判定，正交試驗對顯著性因素的結(jié)論是準確的。

2.2.2 加工試驗對加工參數(shù)的驗證

基于正交試驗獲得的最佳加工參數(shù)為v=160 r/min、f=0.15 mm/r、ap=0.6 mm、r=0.6 mm，將該組參數(shù)在同樣的試驗條件下開展加工試驗，并對加工后的表面用同樣方法測量加工后的表面粗糙度，所獲得表面粗糙度為Ra=0.39 μm。這個值小于正交試驗中的所有的表面粗糙度測量值，由此可以判定，正交試驗對最佳參數(shù)的結(jié)論是準確的。

3 結(jié)論

本文通過PCD 刀具車削加工短切碳纖維/酚醛制品的正交試驗，研究了切削速度、進給量、切削深度、刀尖圓弧半徑4 個關(guān)鍵因素對表面質(zhì)量的影響，并通過建立預(yù)測模型及驗證，得出如下結(jié)論：

（1）正交試驗的均值分析發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度和進給量的增大，表面粗糙度逐漸增大，隨著切削深度和刀尖圓弧半徑的增大，表面粗糙度逐漸變小；

（2）通過正交切削試驗顯著性分析發(fā)現(xiàn)，在給定顯著性水平α=0.05 下的加工影響因素從大到小依次為：刀尖圓弧r、進給量f、切削速度v、切削深度ap，且r、f兩個因素為顯著性因素。同時獲得的最佳加工件參數(shù)為v=160 r/min，f=0.15 mm/r，ap=0.6 mm，r=0.6 mm；

（3）通過加工試驗對加工參數(shù)的驗證發(fā)現(xiàn)，在正交試驗加工相對應(yīng)的Ra=0.39 μm，其值小于正交試驗中的所有表面粗糙度值；

（4）通過最小二乘法獲得的預(yù)測模型判斷發(fā)現(xiàn)，刀尖圓弧和進給量對加工表觀質(zhì)量的影響較大，切削深度對加工表觀質(zhì)量的影響較小，與正交試驗的結(jié)論基本一致。