碳纖維復合材料螺旋銑孔工藝研究

蘇春杰，程祥，閆新華，鄭光明，姜秀麗，劉煥寶

1山東理工大學機械工程學院；2諾伯特智能裝備(山東)有限公司；3山東省機械設計研究院

1 引言

碳纖維是一種很有潛力的增強材料，具有高比強度、高比剛度、良好的導熱性、導電性、良好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性等優(yōu)點，已成為繼鋁、鋼、鈦之后的第四大航空航天結構材料。機械連接所需的裝配孔加工是飛機裝配過程中必要環(huán)節(jié)，在制孔過程中，由于操作方法不當及制孔刀具磨損而造成的孔壁損傷時常出現(xiàn)，特別是對于各向異性的CFRP材料，其制孔難度遠高于傳統(tǒng)金屬材料[1]。與傳統(tǒng)的鉆削加工相比，螺旋銑孔采用了不同的加工方式。螺旋銑孔過程包括3種基本運動：自轉運動——以銑刀軸線為旋轉軸的主運動；公轉運動——刀具繞孔中心的旋轉運動；沿軸線向下的進給運動。這種特殊的運動方式?jīng)Q定了螺旋銑孔的優(yōu)勢，采用偏心加工有利于改善制孔質量[2]。

Pereszlai C.等[3]采用無涂層硬質合金立銑刀對CFRP和GFRP進行傾斜螺旋銑孔試驗，分析和討論了傾斜角和螺距對軸向切削力的影響，結果表明，俯仰和傾斜角度對切削力和毛刺均影響顯著，建議在研究范圍內(nèi)盡量增大傾斜角。Geier N.等[4]開發(fā)了一種利用未切割纖維特征的數(shù)字圖像來處理監(jiān)測和診斷螺旋銑孔過程的方法，通過大量試驗驗證了該方法的有效性和可靠性，采用監(jiān)測方法加工比采用固定工藝參數(shù)加工的未切割纖維更少。Kwon B.等[5]設計了一種階梯鉆頭來減少CFRP加工過程中產(chǎn)生的分層和未切割纖維。試驗結果表明，該鉆頭以0.1mm/r的進給速度鉆孔效果最佳，并驗證了該鉆頭的有效性。Ahmad N.等[6]采用涂層刀具和無涂層刀具在恒定主軸轉速和進給速度條件下對CFRP進行了螺旋銑孔試驗。試驗結果表明，涂層刀具的切削性能均優(yōu)于無涂層刀具的切削性能。Zhou L.等[7]利用專用刀具對CFRP/Ti疊層結構進行螺旋銑孔試驗，研究了主軸轉速、孔徑比和刀徑比對孔直徑和圓度的影響規(guī)律。試驗結果表明，CFRP出口處孔直徑最大，而且隨著孔數(shù)的增加該趨勢保持不變。Sun L.等[8]通過常規(guī)鉆孔和螺旋銑孔對Ti/CFRP/Al疊層結構進行了加工過程中損傷產(chǎn)生的機理研究。試驗結果表明，切削溫度過高是螺旋銑孔加工過程中產(chǎn)生損傷的主要原因。螺旋銑孔比常規(guī)鉆孔的切削溫度低，顯著提高了CFRP鉆孔質量。Yang G.L.等[9]提出了新的抑制分層的反螺旋銑孔方式，該方法通過提高材料剛度來降低未切削材料的變形程度，并通過驗證性試驗證明了該方法的有效性，既不會增大現(xiàn)有分層，也不會產(chǎn)生新的分層。Wang H.Y.等[10]研究了CFRP螺旋銑孔的切削性能，通過試驗討論了切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律。采用非線性擬合方法建立了加工性能與切削參數(shù)之間的關系，并基于多目標遺傳算法優(yōu)化了CFRP螺旋銑孔過程中的切削參數(shù)，并通過試驗驗證了優(yōu)化后的切削參數(shù)有效性。

為了提高CFRP的制孔質量，國內(nèi)外學者做了諸多研究，但是在螺旋銑孔切削條件方面還需要進行深入研究，以期對分層缺陷和表面形貌進一步提升。本文針對CFRP材料螺旋銑孔，研究常溫干式切削條件和低溫冷卻切削條件對孔加工質量的影響情況，通過對切削力、分層缺陷和表面形貌的分析，探討低溫冷卻切削的可行性，為CFRP制孔質量的提升提供參考。

2 試驗準備

2.1 試驗設備

試驗加工中心的主軸最高轉速為36000r/min，X，Y，Z三軸工作行程分別為400mm，400mm，230mm，使用Kistler 9257B測力儀測量三向切削力(見圖1)。選用直徑4mm的雙刃PCD銑刀，其詳細參數(shù)見表1。試驗材料為T300系列的碳纖維復合材料，尺寸為80mm×50mm×5mm，表2為CFRP的材料屬性。

表1 銑刀參數(shù)

表2 CFRP材料屬性

圖1 加工中心及測力裝置

由于在CFRP切削過程中刀具不斷地將切削層材料與基體材料分離而產(chǎn)生大量切屑，切屑粉塵飄散在空氣中易進入機床主軸從而影響機床精度，同時切屑粉塵易被人體吸入，危害人的健康。因此設置除塵裝置，在切削過程中及時清理CFRP切屑。試驗中低溫冷卻切削條件試驗現(xiàn)場如圖2所示，兩種切削條件的說明如表3所示。對切削力、分層中加工孔的直徑測量6次，將得到的試驗數(shù)據(jù)取其平均值，以保證準確性。采用USB200數(shù)碼工具顯微鏡拍照和觀察分析加工孔的表面形貌。

圖2 低溫冷卻切削條件試驗現(xiàn)場

表3 兩種切削條件的說明

2.2 試驗設計

在螺旋銑孔過程中，銑刀自轉轉速n通常遠大于軌道轉速ng，因此可以近似認為切削速度v正比于銑刀主軸轉速n，故螺旋銑孔切削工藝參數(shù)包括主軸轉速n、銑刀中心每齒進給量St以及螺距ap[11]。試驗設計選用3個影響因素，每個因素選取4個水平。根據(jù)因素數(shù)與水平數(shù)，不考慮因素間交互作用，選擇L16(45)正交表，正交試驗因素水平如表4所示。

表4 正交試驗因素水平

3 試驗結果及分析

3.1 切削力

在CFRP制孔過程中，切削力的大小直接影響制孔質量，是造成孔壁周圍材料分層、孔出入口撕裂和毛刺等重大缺陷的主要因素[12]。因此，試驗后選取螺旋銑孔過程中穩(wěn)定切削時的切削力作為分析對象，切削力與影響因素的關系見圖3～圖5。

圖3 切削力與主軸轉速的關系

圖4 切削力與銑刀中心每齒進給量的關系

圖5 切削力與螺距的關系

從圖3～圖5可以看出，在螺旋銑孔過程中，低溫冷卻條件下的切削力比常溫干式條件下的切削力大。這是因為CFRP的基體材料為樹脂，樹脂的性能決定了CFRP的結構強度、結構剛度等最終使用性能，樹脂在低溫冷卻后變硬，使CFRP的強度隨著溫度的降低而提高，導致低溫冷卻過程中刀具克服材料對彈性及塑性變形的抗力增大，從而使切削力增大。

由圖3可以看出，隨著主軸轉速增大，兩種切削條件下的切削力均不斷減小。在低溫冷卻條件下，隨著主軸轉速的不斷增大，切削力整體減幅較小。在常溫干式條件下，當主軸轉速從8000r/min增至12000r/min和從16000r/min增至20000r/min時，切削力減幅較大；當主軸轉速從12000r/min增至16000r/min時，切削力減幅較小。

由圖4可以看出，隨著銑刀中心每齒進給量增大，兩種切削條件下的切削力均不斷增大。在低溫冷卻條件下，當銑刀中心每齒進給量從0.02mm/z增至0.06mm/z時，切削力增幅較小，當銑刀中心每齒進給量從0.06mm/z增至0.08mm/z時，切削力增幅較大。在常溫干式條件下切削力有相同的增幅表現(xiàn)。

由圖5可以看出，隨著螺距增大，兩種切削條件下的切削力均不斷增大。低溫冷卻條件下，當螺距從0.2mm增至0.6mm時，切削力增幅較大；當螺距從0.6mm增至0.8mm時，切削力增幅較小。在常溫干式條件下，當螺距從0.2mm增至0.4mm時，切削力增幅較大；當螺距從0.4mm增至0.8mm時，切削力增幅較小。

3.2 分層缺陷

在諸多加工缺陷中，分層是對制孔質量有致命影響的一種缺陷，它是指CFRP層間應力或者制造缺陷等引起的復合材料鋪層之間的脫膠分離破壞現(xiàn)象。分層缺陷一方面會造成CFRP層合板抗拉強度的下降，另一方面在交變疲勞載荷的工作條件下分層會進一步擴展，最終提前終止構件服役壽命。

取最大分層直徑Dmax與孔的公稱直徑Dnorm的比值Fd[13]作為衡量分層程度的標準，即直徑分層因子，簡稱分層因子Fd，有

(1)

分層因素示意圖如圖6所示。試驗結束后，對兩種切削條件下加工孔的直徑進行測量，處理數(shù)據(jù)后得到的分層因子如圖7所示。

圖6 分層因素(示意圖)

圖7 兩種切削條件下的分層因子

圖7為每個孔在常溫干式和低溫冷卻條件下的分層因子。可以看出，低溫冷卻條件下加工孔的分層因子比常溫干式條件下加工孔的分層因子小，說明在低溫冷卻條件下有效抑制了制孔入口處的分層現(xiàn)象。在低溫冷卻條件下，由于切削力較大，能將材料更完整地切除下來推入螺旋槽，沿螺旋槽表面上升并形成相對常溫干式條件下較小的剝離力，從而抑制了上層未被切除區(qū)域的分離。另外，在低溫冷卻條件下，由于低溫抑制了螺旋銑孔過程中的纖維擠出，并降低了纖維裂紋在軸向和徑向的延伸距離，使CFRP表面更規(guī)則以及分層因子更小。

其中第16個孔的分層因子最大，此時n=20000r/min，St=0.08mm/z，ap=0.2mm，在低溫冷卻條件下的分層因子為1.145，在常溫干式條件下的分層因子為1.148；第5個孔的分層因子最小，此時n=12000r/min，St=0.02mm/z，ap=0.4mm，在低溫冷卻條件下的分層因子為1.126，在常溫干式條件下的分層因子為1.130。

3.3 表面形貌

表面形貌是影響材料性能和可靠性的關鍵因素，能進一步反映材料的加工質量[14]。由前文分析可知，試驗中第16個孔的分層因子最大，第5個孔的分層因子最小，其對應的加工孔的表面形貌如圖8和圖9所示。

(a)常溫干式

(a)常溫干式

試驗采用的PCD銑刀為高端刀具，試驗結束后在兩種切削條件下加工孔的入口處表面均未產(chǎn)生明顯表面纖維毛刺和撕裂現(xiàn)象。從圖8a可以觀察到，常溫干式條件下加工孔出口處表面在切削時會產(chǎn)生的切屑粉塵吸附。從圖8和圖9可以看出，低溫冷卻條件下的加工孔比在常溫干式條件下的加工孔表面更規(guī)則，這是因為低溫冷卻提高了樹脂的強度和纖維的脆性，從而使CFRP材料表面更規(guī)則。由此可知，低溫冷卻條件下的制孔質量要優(yōu)于常溫干式條件下的制孔質量。

4 結語

本文應用兩種切削條件(常溫干式和低溫冷卻)，對碳纖維復合材料進行了螺旋銑孔試驗，探究了兩種切削條件對切削力、分層缺陷和表面形貌的影響。主要結論如下：

(1)在常溫干式切削條件下，切削力更?。辉诘蜏乩鋮s條件下，能更好地抑制分層缺陷，表面形貌更好。故在低溫冷卻條件下能夠獲得制孔質量更好的加工工件，表明了低溫螺旋銑孔的可行性。

(2)兩種切削條件下的切削力與主軸轉速n呈反比，即隨著主軸轉速n增大，切削力呈不斷減小的趨勢；與銑刀中心每齒進給量St和螺距ap呈正比，即隨著銑刀中心每齒進給量St和螺距ap增大，切削力呈不斷增大的趨勢。

(3)低溫冷卻條件下加工孔的分層因子比常溫干式條件下小。當n=20000r/min，St=0.08mm/z，ap=0.2mm時，分層因子最大，在低溫冷卻條件下的分層因子為1.145，在常溫干式條件下的分層因子為1.148；當n=12000r/min，St=0.02mm/z，ap=0.4mm時，分層因子最小，在低溫冷卻條件下的分層因子為1.126，在常溫干式條件下的分層因子為1.130。