基于球頭銑刀的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺旋銑孔切削特性分析*

王海艷，金 天，王健宇，武 曄

（東北大學(xué)秦皇島分校，秦皇島 066004）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced polymer， CFRP）具有比強(qiáng)度高、比模量大、剛度和強(qiáng)度可設(shè)計、抗腐蝕性好及優(yōu)良的減振特性，廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)[1–3]。然而，材料各向異性以及高硬度的特點(diǎn)使得CFRP的可加工性較差，尤其在鉆孔過程中極易產(chǎn)生撕裂和分層等制孔缺陷。螺旋銑孔是近10年出現(xiàn)的新型制孔工藝技術(shù)，專用銑刀在自轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上公轉(zhuǎn)并保持軸向進(jìn)給，斷續(xù)的加工方式使得切屑較易排出，較小的軸向力減少了制孔缺陷，因此，關(guān)于螺旋銑孔工藝的研究逐漸得到重視。

早期，Ni[4]通過切削試驗(yàn)研究了航空鋁合金、鈦合金和CFRP螺旋銑孔過程中的動力學(xué)和刀具切削性能，為后續(xù)螺旋銑孔工藝的研究指明了方向。Denkena等[5]驗(yàn)證了在復(fù)鈦疊層材料螺旋銑孔過程中，選擇高的切向進(jìn)給速度和低的軸向進(jìn)給速度時，切削力較小，刀具和直徑偏差也較小。Sasahara等[6]比較了微量潤滑（MQL）條件下鋁合金的螺旋銑孔過程與鉆孔過程，結(jié)果顯示，無論是哪種加工方式，在微量潤滑條件下，制孔質(zhì)量都得到較大改善。Sadek等[7]考慮了復(fù)合材料螺旋銑孔過程中切削參數(shù)對制孔質(zhì)量的影響，進(jìn)而分析和優(yōu)化了加工參數(shù)。王奔等[8]從理論角度對螺旋銑削與傳統(tǒng)鉆削刀具的運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析，并對制孔過程中的切削溫度、切削力及加工質(zhì)量進(jìn)行了檢測與分析，結(jié)果顯示，由于螺旋銑削制孔時的切削溫度顯著低于傳統(tǒng)鉆削制孔溫度，因此螺旋銑削制孔質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鉆削制孔質(zhì)量，有效避免了制孔出口處的撕裂及分層現(xiàn)象。近年來，難加工材料螺旋銑孔的試驗(yàn)逐漸開展，著重研究如何改善刀具磨損和提高制孔質(zhì)量。同時，切削力、切削溫度和切削運(yùn)動學(xué)等理論研究也取得了重大進(jìn)展，并通過切削試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[9–11]。目前，為了改善制孔質(zhì)量，尉言振等[12]在考慮復(fù)合材料易出現(xiàn)明顯出口缺陷的基礎(chǔ)上，提出了反向進(jìn)給螺旋銑孔工藝，并設(shè)計了特殊形狀的專用刀具，分析了該工藝抑制分層的機(jī)制，研究結(jié)果表明，反向進(jìn)給螺旋銑孔工藝可以有效抑制復(fù)合材料出口缺陷的形成，取得了較好的制孔效果。

目前，理論研究和試驗(yàn)工作主要集中在專用立銑刀上。球頭銑刀不僅能完成圓周進(jìn)給，還能同時完成軸向進(jìn)給，球頭銑刀在加工復(fù)雜曲面的過程中具有明顯的優(yōu)勢。利用球頭銑刀完成螺旋銑孔過程的研究并不多見。Iyer等[13]研究了采用球頭銑刀在淬硬工具鋼上的螺旋銑孔過程，得到了較好的制孔質(zhì)量，相對于鉆孔工藝來說，不需要額外的擴(kuò)孔過程。

本文基于螺旋銑孔運(yùn)動學(xué)原理，采用球頭銑刀開展了CFRP螺旋銑孔試驗(yàn)研究，主要分析和討論切削力、刀具磨損和制孔質(zhì)量等與加工直接有關(guān)參數(shù)的變化情況，對于提高制孔質(zhì)量，減少刀具磨損具有指導(dǎo)意義。

1 螺旋銑孔運(yùn)動學(xué)

螺旋銑孔過程中，刀具在自轉(zhuǎn)的同時圍繞預(yù)加工孔中心公轉(zhuǎn)并保持一定的軸向進(jìn)給，刀具中心的路徑為螺旋線[14]，如圖1所示。

由螺旋銑孔的運(yùn)動學(xué)特性可知，刀具與預(yù)加工孔中間留有間隙，散熱性較好，并增加了排屑空間，在螺旋銑孔過程中，刀具不僅要完成側(cè)向進(jìn)給，還要完成軸向進(jìn)給，所以刀具的選擇非常重要。球頭銑刀以其他刀具無法比擬的優(yōu)勢完成軸向進(jìn)給，切削特性也會有所不同。

如圖1所示，假設(shè)刀具直徑為d，mm；加工孔直徑為D，mm；刀刃數(shù)為Z；刀具主軸自轉(zhuǎn)速度（主軸轉(zhuǎn)速）為n，r/min；公轉(zhuǎn)速度為n0，r/min；每公轉(zhuǎn)軸向切削深度（切削深度）為a，mm/轉(zhuǎn)；則刀具每齒切向進(jìn)給量（切向進(jìn)給量）fzt為

圖1 螺旋銑孔工藝Fig.1 Helical milling technology

刀具軸向每齒進(jìn)給量（軸向進(jìn)給量）fza為

刀具中心軌跡的螺旋角α為

在螺旋銑孔過程中，由式（1）可知，當(dāng)?shù)毒吆涂字睆讲蛔儠r，刀具主軸轉(zhuǎn)速、公轉(zhuǎn)速度和切向進(jìn)給量互相關(guān)聯(lián)；而從式（2）可知，刀具主軸轉(zhuǎn)速、公轉(zhuǎn)速度、切削深度和軸向進(jìn)給量互相關(guān)聯(lián)；式（3）顯示，切向進(jìn)給量和軸向進(jìn)給量的比值決定了刀具中心軌跡螺旋角的大小。綜上分析并結(jié)合在實(shí)際加工過程中參數(shù)的選擇，最終選取刀具主軸轉(zhuǎn)速、切向進(jìn)給量和軸向切削深度作為后續(xù)分析的依據(jù)。

2 試驗(yàn)流程

如圖2所示，CFRP螺旋銑孔試驗(yàn)在三軸數(shù)控機(jī)床（XK714D）上進(jìn)行干切削，TiAlN涂層的兩刃球頭銑刀直徑為6 mm，總長度為60 mm。CFRP板材的面積為200 mm×100 mm，厚度為10 mm。預(yù)加工孔直徑為10 mm。在切削過程中，利用Kistler 9119AA2測力計實(shí)時跟蹤切削力的變化，利用非接觸式紅外測溫儀（AT1350+）檢測切削過程中的溫度變化。在加工過程中每隔2～3個孔卸下刀具，通過工具顯微鏡測量刀具的磨損狀態(tài)。試驗(yàn)過程中具體加工參數(shù)如表1所示。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Experiment setup

表1 全因子切削參數(shù)Table 1 Cutting parameters of full factors

3 結(jié)果與討論

3.1 切削力

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速4000 r/min、切向進(jìn)給量0.02 mm/z、切削深度0.2 mm/r時，CFRP螺旋銑削時的x、y、z3向切削力如圖3所示，其中z向?yàn)檩S向?？梢钥闯觯S向力波動非常嚴(yán)重，同時軸向力遠(yuǎn)大于其他兩個方向的切削力，由于CFRP材料獨(dú)特的鋪層結(jié)構(gòu)，如果軸向力較大，則會在加工出口區(qū)域出現(xiàn)撕裂和拉拔以及分層等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響制孔質(zhì)量。此外，x和y方向切削力在初始階段呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，之后切削力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，而在最終切削區(qū)域，切削力并沒有出現(xiàn)明顯的下降趨勢。分析出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能在于球頭銑刀逐漸切入工件，刀頭部位與工件之間的接觸面積逐漸擴(kuò)大，直到刀具球頭部分完全切入工件，同時在切出區(qū)域，主要是切削刃的球頭和圓柱部位參與切削，切削狀態(tài)并沒有發(fā)生太大的變化，這種情況有利于控制刀具磨損，提高制孔質(zhì)量。

圖3 實(shí)測切削力Fig.3 Measured cutting forces

在制孔過程中，徑向力一般與刀具偏差和孔壁質(zhì)量有關(guān)，而軸向力則與刀具磨損和孔的進(jìn)口、出口質(zhì)量直接有關(guān)，因此采用徑向力和軸向力來分析切削力的變化。軸向力為z方向力，徑向力為

式中，F(xiàn)r為徑向力；Fx、Fy分別為x、y方向的切削力。

如圖4所示，軸向和徑向切削力均隨著切削深度和切向進(jìn)給量的增加而增大，而隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而降低，軸向力的變化遠(yuǎn)大于徑向力，因此主要討論切削參數(shù)對軸向力的影響。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速從4000 r/min增加到6000 r/min（切削深度為0.2 mm/r，切向進(jìn)給量為0.04 mm/z） 時，軸向切削力從約228.3 N減小到126.1 N，下降了44.8%；當(dāng)切向進(jìn)給量從0.02 mm/z增加到0.06 mm/z（主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min，切削深度為0.2 mm/r）時，軸向力從175.1 N增加到295.3 N，增幅為68.6%；隨著切削深度從0.1 mm/r增加到0.2 mm/r（主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min，切向進(jìn)給量為0.04 mm/z），軸向力從248.1 N增加到295.3 N，增幅為19%。可以看出，如果需要控制軸向切削力，應(yīng)當(dāng)盡可能采用較高的主軸轉(zhuǎn)速，較小的切削深度，及選擇適當(dāng)?shù)那邢蜻M(jìn)給量。

圖4 切削參數(shù)對切削力的影響Fig.4 Effect of cutting parameters on cutting forces

3.2 切削溫度

螺旋銑孔過程中，由于孔直徑大于刀具直徑，增加了排屑空間，也降低了切削區(qū)的溫度，但是由于切削溫度的變化對刀具磨損的影響非常關(guān)鍵，研究和分析切削溫度條件的變化對于后續(xù)的研究具有參考價值。紅外測溫儀測量的距離切削區(qū)80 mm處的切削溫度如圖5所示。

從圖5中可以看出，加工第1個孔后的溫度約為48 ℃，第9個孔加工完成，切削區(qū)溫度約為100 ℃，而第27個孔加工完成，最高溫度一直沒超過102 ℃，整體上來說，切削區(qū)溫度隨著加工孔數(shù)量的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，但是切削參數(shù)的影響也不能忽略。從圖6中可以看出，切削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速、切向進(jìn)給量和切削深度的增加而升高，相比于切削參數(shù)對切削力的影響程度，切削參數(shù)對切削溫度的影響相對較小。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速從4000 r/min增加到6000 r/min（切削深度0.2 mm/r，切向進(jìn)給量0.04 mm/z）時，切削溫度從67 ℃升高到83.7 ℃，最后升到84 ℃。當(dāng)切向進(jìn)給量從0.02 mm/z增加到0.06 mm/z（主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min，切削深度為0.2 mm/r） 時，切削溫度從83 ℃增大到94 ℃，后又增大到102 ℃。隨著切削深度從0.1 mm/r增加到0.2 mm/r（主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min，切向進(jìn)給量為0.04 mm/z），切削溫度從63.8 ℃變化到86 ℃。從分析結(jié)果可以看出，尤其在大切削參數(shù)情況下，切削溫度基本無變化。

圖5 CFRP材料的切削溫度Fig.5 Cutting temperatures of CFRP

圖6 切削參數(shù)對切削溫度的影響Fig.6 Effect of cutting parameters on cutting temperatures

3.3 刀具磨損狀況

考慮到復(fù)合材料的耐磨特性，在加工過程中，刀具磨損問題會直接影響切削過程，因此，刀具磨損問題的分析著重于分析刀具不同切削刃和微觀特性。圖7為銑削27個孔后的刀具磨損狀態(tài)，可以看出，刀具的側(cè)面和前緣均出現(xiàn)了明顯的磨損，球面切削刃處出現(xiàn)了典型的溝槽以及磨亮的情況，而側(cè)刃則出現(xiàn)了明顯白層甚至破損的情況，無論是球面還是側(cè)刃，刀具均呈現(xiàn)出典型的磨料磨損形態(tài)。從分析結(jié)果可知，球頭立銑刀的磨損程度相對較輕，主要原因可能是球頭立銑刀的入口區(qū)域與孔壁沒有直接接觸，材料去除量很小，隨著切削的進(jìn)行，切削刃逐漸切入，導(dǎo)致切削力的逐漸增加，同樣，刀具到達(dá)孔出口區(qū)域時逐漸退出加工區(qū)域，但是圓柱切削刃一直參與切削，因此切削力并不像入口區(qū)域那樣明顯減小，與穩(wěn)態(tài)切削過程基本一致。因此，球頭刀具的磨損并不十分嚴(yán)重。

圖7 刀具磨損情況Fig.7 Tool wear condition

3.4 制孔質(zhì)量分析

3.4.1 直徑

由于CFRP材料的各向異性，孔直徑變化情況不同于金屬材料，呈現(xiàn)明顯的方向性，如圖8（a）所示?？字睆椒謩e檢測x和y相互垂直方向，可以看出，除第1個和第3個孔外，y方向的孔直徑均大于x方向。從試驗(yàn)過程中可知，x方向?yàn)槔w維鋪層方向，y方向垂直于纖維鋪層方向，也就是說垂直于纖維鋪層方向的直徑更大一些，這是CFRP各向異性的體現(xiàn)。此外，由于按順序加工，孔直徑呈現(xiàn)較小的減小趨勢。同時從圖8（b）可以看出，孔入口直徑均大于名義直徑（10 mm），而孔出口直徑均小于名義直徑，而且隨著加工孔數(shù)量的增多，出口直徑減小的趨勢逐漸增大。

圖8 不同方向和位置孔直徑Fig.8 Hole diameters at different directions and positions

3.4.2 孔入口和出口質(zhì)量

采用工具顯微鏡詳細(xì)觀察孔入口和出口情況，CFRP孔口情況如圖9所示，可以看出，隨著加工過程的進(jìn)行，入口毛刺和分層問題逐漸增多，但是由于CFRP材料特性明顯不同于金屬，無法通過毛刺去除來提高孔口質(zhì)量。較小的缺陷可以暫時忽略，較大的缺陷需要特殊處理甚至報廢。

從圖9可以看出，入口分層狀態(tài)并不嚴(yán)重，但隨著刀具磨損的增加，出現(xiàn)了明顯的毛刺和分層情況。加工第1個孔時，入口質(zhì)量相對較好，當(dāng)加工繼續(xù)進(jìn)行時，一些特殊方向上出現(xiàn)了明顯毛刺，當(dāng)加工到第27個孔之后，毛刺增大，毛刺的方向主要位于沿水平軸逆時針旋轉(zhuǎn)45°～90°和180°～225°之間。當(dāng)制孔底部無支撐板時，孔出口質(zhì)量問題比較嚴(yán)重，由于纖維鋪層方向是單向鋪層，沿圖1中x軸方向?yàn)?，嚴(yán)重的毛刺和撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)在x軸的下部，位于順時針30°位置，如圖9（c）所示。因此在CFRP的加工過程中必須采取一些措施，如在孔出口部位設(shè)置墊板或支撐板等，研究結(jié)果表明，支撐板能夠抑制切削加工過程中出口材料的外變形，增大臨界軸向力，減少開裂的概率，并極大地降低分層損傷[8]。另外，出口材料越受約束，變形越少，纖維越容易斷裂，毛刺損傷也大大減少[13]。由于CFRP材料的特性，進(jìn)、出口的毛刺和分層狀態(tài)直接決定了制孔質(zhì)量。

圖9 CFRP孔口質(zhì)量Fig.9 Hole edge quality of CFRP

CFRP分層損傷通常發(fā)生在進(jìn)、出口兩側(cè)表面的幾層材料之間，損傷的大小需要通過超聲波掃描等設(shè)備檢測。毛刺和撕裂系數(shù)隨孔數(shù)的變化沒有規(guī)律性，而分層系數(shù)則有一定規(guī)律性，證明了CFRP制孔過程中幾種損傷形式的產(chǎn)生具有隨機(jī)性，它們之間沒有必然的聯(lián)系。例如，當(dāng)毛刺損傷較嚴(yán)重時，出口分層損傷可能較輕，任何損傷都難以準(zhǔn)確表征和反映整體制孔質(zhì)量。

3.4.3 入口分層因子

分層會影響零件的連接強(qiáng)度，由于出口區(qū)域的分層狀態(tài)與有無支撐板有很大關(guān)系，如果沒有支撐板，出口缺陷非常嚴(yán)重；有支撐板時，孔出口基本無缺陷。因此，選擇入口分層缺陷進(jìn)行分析，分層因子作為評價指標(biāo)，分層因子表示成孔的最大直徑與理想直徑的比值為

式中，Dm為實(shí)際測量的孔徑；D為孔的理想直徑。將計算的分層因子繪于圖10中，可以看出，入口分層因子基本位于1.05～1.14之間，同時分層因子隨孔數(shù)的增加而增加，即刀具磨損會影響CFRP螺旋銑削過程中的分層。

圖10 入口分層因子隨制孔數(shù)量的變化Fig.10 Change of entry delamination factors over hole-making numbers

從圖11可以看出，對于CFRP材料，徑向力隨制孔數(shù)量的增加而增大的現(xiàn)象不如軸向力明顯，但兩向切削力也都呈現(xiàn)出增大的態(tài)勢，而當(dāng)制孔數(shù)量越多，刀具磨損也會越發(fā)嚴(yán)重，進(jìn)而影響制孔質(zhì)量。隨著刀具磨損量的增加，切削刃變鈍，不能尖銳地切割纖維，導(dǎo)致毛刺、撕裂和分層的增加。因此，在CFRP螺旋銑孔過程中，切削力、刀具磨損狀態(tài)及制孔質(zhì)量互相關(guān)聯(lián)，彼此影響。

圖11 切削力隨制孔數(shù)量的變化Fig.11 Change of cutting forces over hole-making numbers

4 結(jié)論

基于螺旋銑孔切削機(jī)理，開展了基于球頭銑刀的CFRP螺旋銑孔試驗(yàn)研究，試驗(yàn)過程中實(shí)時測量了切削力、切削溫度，每隔2～3個孔測量刀具磨損狀況，試驗(yàn)結(jié)束后測量了制孔質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在復(fù)合材料螺旋銑孔初始階段，切削力逐漸增加，而當(dāng)球頭銑刀的圓柱部分進(jìn)入切削區(qū)，切削力穩(wěn)定在一個固定值；在出口區(qū)，切削力呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這種切削力的變化狀態(tài)有利于控制刀具磨損，提高制孔質(zhì)量。從徑向和軸向兩個角度分析了切削參數(shù)對切削力的影響。具體結(jié)論如下。

（1）切削力隨切削深度和切向進(jìn)給量的增加而增大，隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而減?。惠S向力的變化趨勢大于徑向力，主軸轉(zhuǎn)速和切削深度對切削力的影響程度也相對較大。

（2）隨著加工過程的進(jìn)行，整體切削溫度呈上升趨勢，主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和切向進(jìn)給量對切削溫度的影響較小，切削溫度隨切削參數(shù)的增加呈現(xiàn)微小增大的態(tài)勢。

（3）刀具磨損形式為典型的磨料磨損，刀頭出現(xiàn)明顯的溝槽和光澤，邊沿出現(xiàn)明顯的白層。球頭立銑刀與特殊立銑刀的磨損形式基本相同，但磨損程度更輕。

（4） CFRP的孔直徑在不同方向上并不相等，纖維鋪層方向的直徑小于垂直方向的直徑，體現(xiàn)了CFRP的各向異性，且由于CFRP的收縮現(xiàn)象，孔直徑呈下降趨勢；明顯的毛刺和分層出現(xiàn)在特殊方向，隨著切削過程的進(jìn)行，毛刺逐漸增大，但是方向不變，基本處于沿水平軸方向逆時針45°～225°之間，此外，CFRP入口分層因子基本位于1.05～1.14之間。