碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高速低損銑刀設(shè)計(jì)

袁信滿，周進(jìn)，龔清洪，任靜，胡智欽，張?jiān)圃t

成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司

1 引言

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)具有重量輕、模量高、強(qiáng)度大、耐腐蝕及熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，在軍事及民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是發(fā)展航空航天等尖端技術(shù)必不可少的復(fù)合材料[1，2]。為了滿足連接及裝配需求，碳纖維材料固化成型后需要進(jìn)行二次加工[3，4]，由于CFRP的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，且層間結(jié)合強(qiáng)度低，在二次加工時(shí)易形成毛刺、分層及撕裂等缺陷。同時(shí)加工中形成的高硬度碳纖維粉末狀切屑會(huì)造成刀具嚴(yán)重磨損，從而制約了加工效率和刀具使用壽命[5，6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在CFRP高質(zhì)高效加工刀具方面做了大量研究。Zhang Jianguo等[7，8]通過試驗(yàn)研究不同金剛石涂層結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金鉆頭的加工性能，發(fā)現(xiàn)Si-doped涂層鉆頭的鉆削性能優(yōu)于B-doped涂層，復(fù)合結(jié)構(gòu)的MCD/NCD涂層薄膜表面光滑，刀具刃口鋒利，中間過渡微米金剛石涂層可以有效減緩沖擊，且鉆削性能最好。Lopéz de Lacalle N.等[9]對(duì)菠蘿刃銑刀進(jìn)行不同的涂層試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在銑削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，涂層為切削加工性能的重要影響因子。楊小璠等[10]針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削時(shí)易產(chǎn)生毛刺等加工缺陷問題，分析了新型銑刀抑制毛刺產(chǎn)生的切削機(jī)理。Kwon B.C.等[11]設(shè)計(jì)了一種可以減小CFRP鉆削力的階梯鉆頭，提高了CFRP銑削的加工質(zhì)量。Ferreira J.R.等[12]通過試驗(yàn)證明了在銑削加工CFRP時(shí)PCD刀具的性能優(yōu)于CBN、陶瓷和硬質(zhì)合金刀具。Rawat S.等[13]用WC-CO硬質(zhì)合金鉆頭鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，建立了刀具磨損與表面質(zhì)量之間的關(guān)系，并分析了分層缺陷對(duì)表面質(zhì)量的影響，研究結(jié)果表明，刀具磨損情況可通過切削力進(jìn)行檢測(cè)。Gara S.等[14]試驗(yàn)研究了不同微齒結(jié)構(gòu)的滾花銑刀對(duì)CFRP加工表面粗糙度的影響，結(jié)果表明，銑刀幾何結(jié)構(gòu)主要影響CFRP橫向粗糙度，切削參數(shù)主要影響CFRP縱向粗糙度。SECO公司設(shè)計(jì)了由多個(gè)切削單元組成的菠蘿銑刀，加工時(shí)通過分散切削力改善CFRP銑削加工質(zhì)量[15，16]。上述研究為CFRP低損傷高效加工的刀具設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)意義，但其加工效率與加工質(zhì)量仍有待提高。因此設(shè)計(jì)新的CFRP高速低損銑削刀具對(duì)提高CFRP加工效率、質(zhì)量具有重要意義。

本文通過分析刀具結(jié)構(gòu)對(duì)CFRP切削缺陷形成機(jī)理，通過角度優(yōu)選仿真及試驗(yàn)獲取最佳刀具角度參數(shù)組合，獲得了一款CFRP高速低損銑刀，并試驗(yàn)驗(yàn)證了高速低損銑刀的可行性。

2 刀具設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 刀具材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由文獻(xiàn)[15，16]中菠蘿銑刀切削CFRP缺陷形成機(jī)理及其加工壽命可知，刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其材料選擇已成為CFRP復(fù)合材料高效、低損傷加工的關(guān)鍵。目前普遍選用硬質(zhì)合金與PCD材料刀具加工CFRP，而硬質(zhì)合金材料比PCD材料便宜，但PCD材料的耐磨性與切削性能優(yōu)于合金刀具。綜合考慮刀具使用壽命、加工效率及質(zhì)量等因素，本文選擇PCD材料。受其可加工性的影響，刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用焊接PCD刀片銑刀方案，即刀具由刀體和刀片兩部分通過焊接構(gòu)成，刀體采用硬質(zhì)合金材料，刀片材料為PCD。

為解決傳統(tǒng)刀具切削時(shí)碳粉堆積、散熱差等問題且提高CFRP加工效率，在焊接刀片的刀體部分三個(gè)焊接位置之間設(shè)有橫截面為扇形的排屑槽，刀齒選用獨(dú)立分散分布設(shè)計(jì)，刀具采用3個(gè)刀片(見圖1)。

圖1 刀具三維結(jié)構(gòu)

切削加工所需大部分能量都消耗在切屑的形成過程中，切屑尺寸越大，切屑內(nèi)部相互作用越大，切屑的附加變形也會(huì)增加，導(dǎo)致能量消耗增加[17]。所以本文將刀刃設(shè)為波浪形，且三個(gè)切削刃波浪形交錯(cuò)分布(見圖2)，通過分屑控制切屑的形狀，減小切屑內(nèi)部的相互作用及切屑變形，交錯(cuò)分布的切削刃有利于降低每齒切削量和切削力，減輕刀片間切削力的周期性變化，使切削過程更平穩(wěn)，獲得更高的加工質(zhì)量。

圖2 刀片刀刃結(jié)構(gòu)

2.2 刀具角度

2.2.1 確定刀具角度范圍

刀具角度的選取對(duì)刀具壽命、切削性能以及切削質(zhì)量有直接影響，在設(shè)計(jì)刀片切削刃時(shí)需考慮刀具前角、后角等因素，以獲得較好的切削性能。

考慮到軸向力易引起CFRP分層，可通過將刀齒軸向前角設(shè)為0°來減小軸向力的產(chǎn)生。同時(shí)徑向前角是控制切削刃鋒利度和刀尖強(qiáng)度的重要因素，前角越大，刀尖越尖銳，切削刃鋒利度越高，但相應(yīng)的刀尖強(qiáng)度越低，切削時(shí)受到?jīng)_擊后越容易破損?？紤]到PCD材料自身較高的硬度和強(qiáng)度，其前角不宜選擇過大，否則會(huì)增加刀具崩刃風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及PCD刀具的焊接條件，刀具前角設(shè)為5°～10°。

后角主要影響切削刃后刀面的磨損量和刀尖強(qiáng)度，增大后角可減少切削刃后刀面磨損量且增加刀具鋒利度，但會(huì)降低刀尖強(qiáng)度，更容易崩刃。在確保切削刃強(qiáng)度的前提下，考慮到碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在切削過程中存在材料回彈現(xiàn)象，將刀片切削刃后角設(shè)為16°～20°。通過分析，為獲取刀具角度的最優(yōu)組合，本文采用有限元分析及試驗(yàn)進(jìn)行刀具角度優(yōu)選。

2.2.2 有限元仿真分析

(1)設(shè)計(jì)仿真方案

碳纖維復(fù)合材料切削過程中的切削力是影響加工表面質(zhì)量和刀具磨損的重要因素，因此以切削力最小為目標(biāo)對(duì)切削刃前后角進(jìn)行角度優(yōu)選。以T700/M21材料為研究對(duì)象，力學(xué)性能參數(shù)如表1所示，刀具材料為PCD，其性能參數(shù)見表2。

表1 CFRPT700/M21性能參數(shù)

表2 刀具材料參數(shù)

碳纖維復(fù)合材料銑削方式見圖3，具體加工參數(shù)為切削寬度ae=4.5mm，切削速度vf=2500mm/min，切削深度ap=5.25mm，轉(zhuǎn)速s=20000r/min。

圖3 CFRP銑削加工方式

(2)仿真結(jié)果及分析

以刀具軸向前角0°，徑向前角7°，后角18°為例，圖4為CFRP切削過程中的Mises應(yīng)力云圖，可以看出，切削過程中最大力分布在刀刃附近。

圖4 CFRP切削過程Mises應(yīng)力分布云圖

圖5是CFRP切削過程中的三向力變化情況。可以看出，Z方向的力幾乎為0，遠(yuǎn)小于X與Y方向的力，這是因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的高效低損傷刀具為直刃，能夠有效減小切削過程中軸向力的產(chǎn)生；Y方向的力與X方向的力大小也不相等，并且三個(gè)方向的切削力都呈正弦變化趨勢(shì)，其峰值也不相同，這是因?yàn)镃FRP材料具有各向異性，并且每個(gè)時(shí)刻刀具的排屑條件也不相同。

(a)X方向

(b)Y方向

(c)Z方向

(3)刀具角度優(yōu)選試驗(yàn)

在有限元仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展刀具角度優(yōu)選試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)床為GTF2725-6000，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料采用螺栓固定，采用Kistler 9275B三向測(cè)力儀測(cè)量切削力，數(shù)據(jù)采集頻率為40000Hz，采集到的切削力信號(hào)平均值作為加工過程中切削力大小，原理如圖6所示。

圖6 復(fù)合材料切削試驗(yàn)原理

圖7為試驗(yàn)加工現(xiàn)場(chǎng)，試驗(yàn)采用厚度10.5mm、材料牌號(hào)T700的CFRP層合板，在s=20000r/min，vf=2500mm/min的條件下進(jìn)行切削力試驗(yàn)。

圖7 試驗(yàn)加工現(xiàn)場(chǎng)

表3 刀具角度試驗(yàn)及仿真計(jì)算結(jié)果

表3為不同刀具前、后角組合的切削力試驗(yàn)及結(jié)果。由試驗(yàn)可得，當(dāng)?shù)毒咔敖菫?°，后角為18°時(shí)切削力最小，滿足刀具使用要求。同時(shí)，當(dāng)?shù)毒咔敖菫?°、后角為20°時(shí)以及前角為7°、后角為16°時(shí)，刀具刀片出現(xiàn)局部崩刃，造成零件加工損傷。圖8為刀具角度測(cè)試崩刃實(shí)物。

圖8 刀具角度測(cè)試崩刃實(shí)物

綜合試驗(yàn)可得，當(dāng)?shù)毒咻S向前角為0°，徑向前角為7°，后角為18°時(shí)，切削力最小，切削加工質(zhì)量最高。

3 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的高效低損銑刀性能，采用直徑均為8mm的高效低損銑刀進(jìn)行CFRP材料切邊試驗(yàn)，刀具實(shí)物如圖9所示，除切削速度外，其余加工參數(shù)、試驗(yàn)設(shè)備及材料與上文保持一致。

圖9 CFRP新型銑刀實(shí)物

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖10為高速低損銑刀在不同切削速度和切削距離時(shí)工件表面粗糙度變化情況。可知，當(dāng)vf=1500，3000mm/min且切削距離為4000mm時(shí)，表面粗糙度分別為0.903μm和1.044μm，小于菠蘿銑刀的50%；當(dāng)vf=4000mm/min，切削距離為4000mm時(shí)，表面粗糙度為1.115μm，CFRP的表面質(zhì)量仍然良好，毛刺長(zhǎng)度小于0.15mm，未出現(xiàn)基體損傷。CFRP加工表面如圖11所示，高速低損銑刀加工CFRP材料時(shí)，材料的加工質(zhì)量隨加工距離的增加而緩慢下降，當(dāng)加工長(zhǎng)度為5600mm時(shí)，不同切削速度下CFRP材料的表面粗糙度分別為1.058μm，1.203μm和1.327μm，CFRP材料加工表面質(zhì)量仍然符合要求，刀具仍然可以繼續(xù)使用。

圖10 不同切削距離和加工參數(shù)所對(duì)應(yīng)的表面粗糙度

(a)vf=1500mm/min (b)vf=3000mm/min

(c)vf=4000mm/min

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)高效低損刀具的加工壽命，利用BIJIA500手持式顯微鏡觀測(cè)刀具各壽命階段的磨損情況。通過觀測(cè)可得，切削距離在10m范圍內(nèi)，刀具未見明顯磨損；當(dāng)切削距離增加到35m時(shí)，刀具后刀面無明顯磨損，前刀面存在明顯的磨損；當(dāng)切削距離為70m時(shí)，出現(xiàn)了月牙洼小坑且有燒灼情況，繼續(xù)切削，有斷刃風(fēng)險(xiǎn)，刀具不能繼續(xù)使用。各階段刀具磨損情況見圖12。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的高速低損銑刀切削CFRP時(shí)，其加工質(zhì)量和刀具壽命均優(yōu)于傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料銑刀。

(a)不同切削距離的刀具后刀面磨損情況

4 結(jié)語(yǔ)

(1)從刀具材料選取和刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面開展了CFRP高速低損傷加工銑刀的設(shè)計(jì)。采用有限元仿真與試驗(yàn)結(jié)合的方式對(duì)刀具角度進(jìn)行優(yōu)選，獲得了一款小軸向力(軸向前角0°，徑向前角7°，后角18°)的PCD直齒波浪銑刀。

(2)用本文設(shè)計(jì)的刀具進(jìn)行的可行性及壽命試驗(yàn)，結(jié)果表明，刀具在切削速度4000mm/min的工況下，加工壽命達(dá)至70m，且無毛刺、分層及撕裂等加工損傷。