芳綸復(fù)合材料的高質(zhì)量數(shù)控銑切技術(shù)研究

陳亮子

（中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，陜西 西安 710089）

1 研究背景

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的單一材料由于其固有的局限性難以滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展需要，而復(fù)合材料由于其復(fù)合化和集成化的特點，能夠在很大程度上改善和提高單一材料的物理化學(xué)性能和力學(xué)性能，漸漸成為繼金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料之后的第四大材料，作為關(guān)鍵材料在國防軍工和國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

高韌性高溫固化環(huán)氧芳綸織物預(yù)浸料（以下簡稱“芳綸復(fù)合材料”），是一種先進的纖維增強復(fù)合材料，這種材料是以環(huán)氧樹脂為基體材料，以芳綸纖維為增強材料，以不同的疊層人工復(fù)合而成的一種新型復(fù)合材料。因其內(nèi)含強韌的芳綸纖維，且具有復(fù)雜的多相結(jié)構(gòu)和獨特的非均勻性和各向異性，從而具備優(yōu)異的強度和剛度性能以及出眾的抗沖擊性能，廣泛應(yīng)用于防護裝甲和航空航天等軍工領(lǐng)域。在飛機設(shè)計制造中，常作為飛機中央翼前緣、外翼前緣、翼尖等防鳥撞類零組件的主要材料使用。

因其超高強度、高模量、高韌性的特性，芳綸復(fù)合材料的機械加工極為困難，特別是高溫固化后的層壓制件，手工切割難度大，切割效率低，切割片消耗大，每切割1 m 就需要花費30 min 并消耗1 個切割片，工人的勞動強度極大。不僅如此，制件的切割精度也無法得到有效保證，切割邊緣產(chǎn)生燒蝕、分層、毛刺等缺陷的風險高達75%。

隨著芳綸復(fù)合材料在各機型上的應(yīng)用逐漸增多，手工切割無論從效率上還是加工質(zhì)量上都難以保證型號需求，急需探究一種適合芳綸復(fù)合材料的高質(zhì)量數(shù)控銑切方法，減少人力成本，降低甚至消除由邊緣加工引起的燒蝕、分層、毛刺等質(zhì)量缺陷。

2 試驗方案及實施

2.1 試驗件的確定

飛機芳綸復(fù)合材料制件固化后四周帶有約20 mm的切割余量，為滿足裝配需求，需去除該余量，并加工出安裝孔、開口等特殊結(jié)構(gòu)，因此工藝試驗件的設(shè)定應(yīng)能反映出針對外形輪廓、安裝孔、開口等結(jié)構(gòu)特征的銑切效果。

選定厚度約4 mm，長寬約500 mm×500 mm 的芳綸復(fù)合材料平板作為試驗件基體，以試切“回”字形結(jié)構(gòu)驗證數(shù)控銑切效果，試驗件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。試驗件外圈切割邊用以驗證外形輪廓的銑切效果，內(nèi)圈切割邊用以驗證安裝孔、開口等結(jié)構(gòu)特征的銑切效果。

圖1 試驗件示意圖

2.2 試驗參數(shù)的確定

一般而言，影響復(fù)合材料加工效率、加工質(zhì)量及加工精度的主要因素有3 類，即加工刀具、工藝參數(shù)和加工方式。數(shù)控銑切模式下工藝參數(shù)的核心為刀具轉(zhuǎn)速和進給速度，加工方式有順銑和逆銑（順銑和逆銑示意圖分別如圖2、圖3 所示）2 種選擇。為簡化試驗，先設(shè)定加工方式都為順銑，在此基礎(chǔ)上開展變量分別為加工刀具、刀具轉(zhuǎn)速和進給速度的芳綸復(fù)合材料數(shù)控銑切工藝驗證。

圖2 順銑示意圖

圖3 逆銑示意圖

為獲得最優(yōu)的加工刀具，選用了4 種常用的復(fù)合材料加工刀具，即硬質(zhì)合金滾花銑刀（如圖4 所示）、金剛石鉆銑刀（如圖5 所示）、人字形合金銑刀（如圖6 所示）、十刃直齒合金銑刀（如圖7 所示），除此之外還特別增加了2 種特型復(fù)合材料加工刀具，即四刃多齒合金銑刀（如圖8 所示）和兩刃多齒合金銑刀（如圖9 所示）。

圖4 硬質(zhì)合金滾花銑刀

圖5 金剛石鉆銑刀

圖6 人字形合金銑刀

圖7 十刃直齒合金銑刀

圖8 四刃多齒合金銑刀

圖9 兩刃多齒合金銑刀

刀具轉(zhuǎn)速的選取以各類刀具銑切碳纖維的推薦轉(zhuǎn)速（單位為r/min）為參考基準，設(shè)定為+2 000 r/min、r/min、－2 000 r/min 3 種。對應(yīng)上述6 種刀具，確定試驗用的刀具轉(zhuǎn)速如表1 所示。

表1 刀具轉(zhuǎn)速設(shè)定表（單位：r/min）

考慮到芳綸復(fù)合材料切削阻力大，其進給速度應(yīng)略低于碳纖維復(fù)合材料的切削進給速度，因此可設(shè)定為 400 mm/min、600 mm/min、800 mm/min 這 3 種。

2.3 試驗安排

選定試驗件及加工方式（順銑），規(guī)劃了針對芳綸復(fù)合材料的6 種加工刀具、3 種刀具轉(zhuǎn)速和3 種進給速度，以芳綸復(fù)合材料的高效率、高質(zhì)量、高精度數(shù)控銑切需求為導(dǎo)向，按照表2 開展相應(yīng)的正交矩陣試驗。

2.4 試驗結(jié)果分析

按照表2 所列的54 種不同加工刀具、刀具轉(zhuǎn)速及進給速度的組合方式進行數(shù)控銑切試驗，試驗結(jié)果如圖10、圖11 所示。

表2 芳綸復(fù)合材料正交矩陣試驗表

觀察圖10 和圖11，可以得出以下結(jié)論：①兩刃多齒合金銑刀加工的芳綸復(fù)合材料試驗件，其邊緣輪廓加工質(zhì)量最優(yōu)，切割邊界清晰、毛刺極少、無燒蝕、無分層等質(zhì)量缺陷，且內(nèi)外圈切割邊效果均能滿足制件加工需求；四刃多齒合金銑刀效果次之。②比較兩刃多齒合金銑刀不同試驗條件下的加工效果，可以判斷出順銑方式下最優(yōu)刀具轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，最優(yōu)進給速度為600 mm/min。

圖10 芳綸復(fù)合材料銑切試驗結(jié)果（順銑）（之一）

圖11 芳綸復(fù)合材料銑切試驗結(jié)果（順銑）（之二）

為了進一步探究兩刃多齒合金銑刀在逆銑方式下的銑切效果，參考順銑方式下的工藝參數(shù)，將刀具轉(zhuǎn)速設(shè)為6 000 r/min，進給速度設(shè)為600 mm/min，開展逆銑加工試驗，試驗結(jié)果如圖12 所示。

圖12 芳綸復(fù)合材料兩刃多齒合金銑刀逆銑試驗結(jié)果

觀察圖12，并與圖11、圖10 對比，可以得出：相比于順銑，逆銑方式下兩刃多齒合金銑刀加工的芳綸復(fù)合材料試驗件，其內(nèi)外邊緣輪廓的加工質(zhì)量更優(yōu)，切割邊界更清晰，無目視可見的毛刺，無分層、燒蝕等質(zhì)量缺陷。

通過上述研究試驗，可以得出芳綸復(fù)合材料的最優(yōu)數(shù)控加工刀具為兩刃多齒合金銑刀，最優(yōu)刀具轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，最優(yōu)進給速度為600 mm/min，最優(yōu)加工方式為逆銑。

3 總結(jié)

本文采用正交矩陣的試驗方法，研究并確定了一種芳綸復(fù)合材料制件的高質(zhì)量數(shù)控銑切工藝方法，即采用兩刃多齒合金銑刀，刀具轉(zhuǎn)速設(shè)為6 000 r/min，進給速度設(shè)為600 mm/min，加工方式選擇逆銑。

采用此種工藝方法開展飛機中央翼前緣、外翼前緣、翼尖等芳綸復(fù)合材料零組件的高質(zhì)量數(shù)控銑切，能夠?qū)崿F(xiàn)制件加工的自動化、快速化、精確化，節(jié)省人力和資源成本，提高加工效率。同時避免了手工切割易引起的燒蝕、毛刺、分層等質(zhì)量缺陷，降低了產(chǎn)品的拒收和報廢概率，提高產(chǎn)品的一次交檢合格率。隨著復(fù)合材料在飛機制造上的應(yīng)用越來越廣泛，復(fù)合材料的高效率、高質(zhì)量、高精度機械加工，成為制造業(yè)面臨的重大問題。本文結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，采用正交矩陣的試驗方法，解決了芳綸復(fù)合材料的高質(zhì)量數(shù)控加工難題，并為其他復(fù)合材料的高質(zhì)量加工提供了技術(shù)方案參考。