加工參數(shù)對(duì)T800碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削質(zhì)量的影響

高航, 蘭寶華, 許啟灝, 陳亮子, 肖光明

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024; 2.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 陜西 西安 710000)

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon fiber reinforced polymer/plastic,CFRP)具有比強(qiáng)度高、比模量大、耐腐蝕及熱膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-3],已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域[4-5]。CFRP零件通常使用近凈成型技術(shù)生產(chǎn)制造,但是對(duì)于諸如機(jī)翼、筒段等大型復(fù)合材料構(gòu)件制備過程的形變無法避免,通過增加犧牲層以及后續(xù)機(jī)械加工可以更好地滿足形狀、尺寸與裝配精度等要求[6-7],其中以銑削為其主要加工工藝手段。然而,由于各向異性、非均質(zhì)性[8-9]、各層間粘合強(qiáng)度低等特點(diǎn),CFRP在銑削加工過程中,特別是為了確保加工效率而實(shí)施的大切深、大進(jìn)給等工藝條件下,極易出現(xiàn)毛刺、分層、纖維拔出、撕裂等缺陷,是一種典型的難加工材料[10-12],如何對(duì)其進(jìn)行大余量高效銑削的同時(shí)確保無撕裂分層損傷面臨挑戰(zhàn)。同時(shí),由于CFRP層間剪切強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差、硬度高等特點(diǎn),在實(shí)際加工中刀具磨損較為突出,嚴(yán)重降低了CFRP的加工質(zhì)量和效率[13-14]。

常用的犧牲層材料結(jié)構(gòu)有碳纖維單向帶結(jié)構(gòu)、碳纖維織物結(jié)構(gòu)及玻璃纖維織物結(jié)構(gòu)[15]。表面柔軟的玻璃纖維保護(hù)層和內(nèi)部堅(jiān)硬的CFRP犧牲層因二者的材料性能差異較大,在銑削加工過程中很難同時(shí)確保二者均無毛邊和分層。從加工的角度來看,若是一把刀具能夠同時(shí)將堅(jiān)硬的CFRP層和柔軟的保護(hù)層織物都高質(zhì)量地予以加工,也是代表加工技術(shù)水平的重要進(jìn)步。為此本文在討論和評(píng)價(jià)材料加工毛邊缺陷時(shí),按未去除保護(hù)層織物的加工質(zhì)量狀況來考慮。

關(guān)于CFRP銑削加工的研究已有較多的報(bào)道和研究成果。在加工力學(xué)理論研究方面,Maegawa 等[16]基于Zhang等[17]的模型,提出一種簡(jiǎn)化的切削模型,利用該模型發(fā)現(xiàn)形成切屑的分力不依賴于刀具磨損,而擠壓分力隨著刀具磨損會(huì)逐漸增大,采用雙層刀具通過控制刀具磨損速率來減小擠壓分力,可降低總切削力。國(guó)內(nèi)學(xué)者萬敏等[18]基于多元非線性回歸原理,將切削力系數(shù)表征為纖維切削角、瞬時(shí)未變形切屑厚度、主軸轉(zhuǎn)速和軸向切深的函數(shù),通過試驗(yàn)表明所建立的力學(xué)模型可以很好地預(yù)測(cè)切削力的變化規(guī)律。

在有限元仿真分析方面,Ghafarizadeh等[19]通過建立端面銑削CFRP的有限元模型,研究分析了加工過程中切削力變化、切屑形成以及表面損傷機(jī)理,仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果表明切削力變化很大程度上與纖維方向有關(guān)。Xu等[20]建立了斜角切削的有限元模型,分析了纖維方向及斜角對(duì)切屑形成、切削力和表面損傷的影響,此外,他們還分析了二次切削對(duì)切削力和表面缺陷的影響。

在刀具可加工性試驗(yàn)研究方面,Ozkan等[21]使用TiAlN和TiN涂層刀具銑削CFRP,研究分析了切削用量對(duì)加工表面粗糙度和切削力的影響規(guī)律。周井文等[22]采用金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)不同纖維方向的CFRP進(jìn)行順銑加工,研究分析了纖維方向和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量對(duì)加工表面形貌的影響。

縱觀諸多相關(guān)研究,關(guān)于大余量高效銑削具有柔軟保護(hù)層的CFRP研究報(bào)道不多,特別是現(xiàn)有企業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)具有柔軟保護(hù)層的CFRP無毛邊高效加工技術(shù)極為迫切,為此本文以某大型航空構(gòu)件使用的T800 CFRP為例,開展了加工參數(shù)對(duì)材料銑削質(zhì)量影響的試驗(yàn)研究。通過分別選用4種不同結(jié)構(gòu)形式刀具(硬質(zhì)合金玉米銑刀、金剛石涂層銑刀、碳纖維專用復(fù)合銑刀和雙刃聚晶金剛石(PCD)銑刀),對(duì)材料的銑削力、銑削溫度以及加工表面質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析,確定了能夠?qū)崿F(xiàn)較好加工質(zhì)量的刀具結(jié)構(gòu)形式和工藝參數(shù)規(guī)范,分析了不同加工參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響。

1 T800 CFRP銑削試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)裝置

本文試驗(yàn)在CFRP專用加工試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行,試驗(yàn)原理如圖1所示,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。圖1中,x、y、z為測(cè)力儀三個(gè)坐標(biāo)軸方向,n為主軸轉(zhuǎn)速方向,f為進(jìn)給速度方向。使用瑞士Kistler公司生產(chǎn)的9257B型三向測(cè)力儀、大連理工大學(xué)自研制的LN5861型電荷放大器、凌華科技有限公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡組成測(cè)力裝置;使用美國(guó)FLIR公司生產(chǎn)的E60型紅外熱像儀記錄加工區(qū)域工件表面的銑削溫度,試驗(yàn)前使用熱電偶進(jìn)行了溫度的標(biāo)定;采用日本Keyence公司生產(chǎn)的VHX-600E超景深三維顯微鏡對(duì)加工后的表面形貌進(jìn)行觀察,測(cè)量毛邊高度。

圖1 試驗(yàn)原理Fig.1 Test principle

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Test site

1.2 試驗(yàn)材料與刀具

本試驗(yàn)使用的材料為航空用T800 CFRP層壓板,板厚6 mm,圖3為鋪層角度示意圖。層壓板共42層,其中第1層與第42層為玻璃纖維平紋織物預(yù)浸料,作為保護(hù)層,材料表面的保護(hù)層用于加工和零件裝配中降低沖擊等對(duì)內(nèi)部材料的損傷;第2層與第41層為某高強(qiáng)中模碳纖維平紋織物預(yù)浸料;其余各層為某高強(qiáng)中模碳纖維單向帶預(yù)浸料。犧牲層為加工過程中在厚度方向去除的材料,例如進(jìn)行端面銑削在厚度方向去除的材料便是犧牲層。本文試驗(yàn)采用側(cè)面銑削,為便于理解,在此進(jìn)行說明。

圖3 試驗(yàn)材料及前21層鋪層角度Fig.3 Test material and paving angle of the first 21 layers

圖4所示為本試驗(yàn)使用的4種刀具,分別是硬質(zhì)合金玉米銑刀(材質(zhì)GK10,以下簡(jiǎn)稱玉米銑刀,見圖4(a))、硬質(zhì)合金金剛石涂層銑刀(基體材質(zhì)GK10,以下簡(jiǎn)稱涂層銑刀,見圖4(b))、碳纖維專用復(fù)合銑刀(材質(zhì)GK02,以下簡(jiǎn)稱復(fù)合銑刀,見圖4(c))和雙刃PCD銑刀(以下簡(jiǎn)稱PCD銑刀,見圖4(d)),刀具幾何參數(shù)如表1所示。本試驗(yàn)使用的刀具由匯?？萍脊煞萦邢薰狙兄?、提供。

圖4 試驗(yàn)刀具Fig.4 Test tools

表1 刀具幾何參數(shù)

1.3 側(cè)面銑削單因素試驗(yàn)

以主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度f和徑向切深ae為試驗(yàn)的3個(gè)因素,以毛邊高度和表面粗糙度作為加工表面質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),使用4種銑刀進(jìn)行T800 CFRP層壓板側(cè)面銑削單因素試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)如表2所示,進(jìn)給方向平行于層壓板0°方向,軸向切深為整個(gè)板厚,即6 mm。由于冷卻液會(huì)影響材料的性能,試驗(yàn)采用干加工。使用超景深顯微鏡測(cè)量上表面穩(wěn)定銑削區(qū)域3點(diǎn)的毛邊高度,取平均值作為該因素水平下的毛邊高度,圖5為毛邊測(cè)量位置示意圖。使用美國(guó)ZYGO公司生產(chǎn)的NewView 9000型3D表面形貌儀測(cè)量表面粗糙度,為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,每組試驗(yàn)的表面粗糙度測(cè)3次取平均值。

表2 單因素試驗(yàn)參數(shù)

圖5 毛邊測(cè)量位置Fig.5 Position for burr measurement

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 保護(hù)層加工毛邊高度對(duì)比分析

圖6和圖7分別為4種刀具側(cè)面銑削T800 CFRP層壓板z軸方向和y軸方向毛邊高度,圖8為主軸轉(zhuǎn)速8 000 r/min、進(jìn)給速度400 mm/min、徑向切深2.5 mm時(shí)4種刀具加工表面毛邊對(duì)比情況。在試驗(yàn)加工參數(shù)范圍內(nèi),對(duì)于每種刀具,兩個(gè)方向的毛邊高度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大有減小的趨勢(shì),隨著進(jìn)給速度和徑向切削深度的增加有增大的趨勢(shì)。

圖6 z軸方向毛邊高度Fig.6 z-direction burr height

圖7 y軸方向毛邊高度Fig.7 y-direction burr height

圖8 表面毛邊高度對(duì)比(n=8 000 r/min,f=400 mm/min,ae=2.5 mm)Fig.8 Comparison of surface burr heights (n=8 000 r/min, f=400 mm/min, ae=2.5 mm)

根據(jù)圖8,毛邊主要產(chǎn)生于表面鋪覆的保護(hù)層,相比于內(nèi)部CFRP,表面的玻璃纖維保護(hù)層較為柔軟,二者材料性能差異大,在加工過程中表面保護(hù)層由于剛性較低,容易發(fā)生彎曲變形造成纖維切斷不徹底,從而產(chǎn)生毛邊。此外,表面保護(hù)層與內(nèi)部碳纖維的約束方式也有差異,表面保護(hù)層為單側(cè)約束,內(nèi)部碳纖維為雙側(cè)約束。相比于雙側(cè)約束,單側(cè)約束強(qiáng)度較低,表面保護(hù)層在加工中受到的支撐不足以抵抗切削力,從而發(fā)生彎曲變形,導(dǎo)致纖維切斷不充分,因而產(chǎn)生毛邊。

根據(jù)圖6、圖7和圖8 4種刀具加工表面毛邊高度的對(duì)比可知:PCD銑刀加工后的y軸方向和z軸方向的毛邊高度比其他3種刀具大很多,基本在500 μm以上,而其他3種刀具兩個(gè)方向的毛邊高度基本在300 μm以下。

通過圖4和圖9對(duì)比4種刀具的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn):玉米銑刀(見圖4(a))在加工過程中是由許多呈金字塔形狀的微刃共同參與銑削,涂層銑刀(見圖4(b))是由許多近似呈菱形的微刃共同參與銑削,這兩種刀具采用多刃微元銑削的方式,每個(gè)微刃上的銑削力較小,材料的變形也較小,可以有效降低加工過程中的毛邊高度;復(fù)合銑刀(見圖4(c))在每?jī)蓚€(gè)主切削刃之間交替排布了左旋和右旋的微刃,在主切削刃加工之后這些微刃進(jìn)行二次修復(fù),在一定程度上可以起到降低毛邊高度的作用;PCD銑刀(見圖4(d))沒有微刃參與銑削,只有兩個(gè)主切削刃交替銑削,由于表面保護(hù)層與內(nèi)部碳纖維之間粘合強(qiáng)度低,保護(hù)層所受到的支撐強(qiáng)度較低,在PCD銑刀銑削的過程中保護(hù)層容易發(fā)生彎曲變形,導(dǎo)致纖維不能有效切斷,從而產(chǎn)生嚴(yán)重的毛邊現(xiàn)象。玉米銑刀、涂層銑刀、復(fù)合銑刀、PCD銑刀每一周的刀刃齒數(shù)分別為16、12、4、2,刀刃齒數(shù)越多,刀具每轉(zhuǎn)過一周就會(huì)有更多的刀刃參與銑削,多個(gè)刀刃的修復(fù)作用使得材料去除更加充分。同時(shí),在相同的切削效率下,即保證單位去除材料總體積相同,隨著刀具齒數(shù)增多,每齒進(jìn)給量變小,每個(gè)切削刃產(chǎn)生銑削力越小。當(dāng)每齒進(jìn)給量很小時(shí),纖維更容易被有效去除,在纖維彎曲變形較小時(shí)就發(fā)生斷裂,形成更小的面下?lián)p傷[23],有利于提高表面加工質(zhì)量。此外,已知總切削力由各個(gè)切削刃產(chǎn)生的切削力微元構(gòu)成,由于不同周向位置的切削刃得到的切削力波形在時(shí)域上存在相位差,這種離散的切削力構(gòu)成使切削力變化更加平緩,材料表層受到的沖擊載荷較小,產(chǎn)生的形變較小,減少了由于形變而產(chǎn)生的毛邊。圖9中F1、F′1為刀刃切削力水平分力,F2、F′2為刀刃切削力軸向分力,F為F1和F2的合力,F′為F′1和F′2的合力。

圖9 微刃銑削與整體刃銑削Fig.9 Micro-edge milling and integral edge milling

根據(jù)圖9,玉米銑刀、涂層銑刀和復(fù)合銑刀都具有左旋和右旋的微刃,左旋和右旋的切削刃同時(shí)作用于材料,形成的合力與剪切原理相似,容易將纖維材料切斷和去除,從而抑制和減少毛邊的產(chǎn)生。并且,左旋和右旋刀刃形成的分力在刀具軸向方向會(huì)抵消一部分,使得切削過程比較穩(wěn)定,一定程度上可以降低毛邊和分層引起的損傷。PCD刀具只有右旋切削刃,切削刃有一個(gè)微小的螺旋角,切削過程中沿刀具軸向的分力容易引起上表面纖維的分層,使得材料去除效果不佳,從而引起嚴(yán)重的毛邊現(xiàn)象。

2.2 切向比切削能與保護(hù)層y軸方向毛邊高度的關(guān)系

以立銑刀側(cè)面銑削為例,建立刀齒銑削加工過程刀具銑削力分解如圖10所示,其中設(shè)φ為刀齒旋轉(zhuǎn)角,Ft為切向力,Fr為法向力,Fx、Fy分別為測(cè)力儀測(cè)出的x軸和y軸方向的分力,ac為切屑厚度,ft為每齒進(jìn)給量。

圖10 受力分析Fig.10 Force analysis

根據(jù)力的等效關(guān)系可得

Fr=Fxsinφ+Fycosφ

(1)

Ft=Fysinφ-Fxcosφ

(2)

為分析單位面積上的銑削力,這里引入比切削能K,其定義[24]為

(3)

式中:F為銑削力;v為銑削速度;Ac為切屑橫截面,

Ac=apac

(4)

ap為軸向切深。

鑒于與旋轉(zhuǎn)角φ一一對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)銑削力很難準(zhǔn)確地獲得,因此考慮用平均力代替旋轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)力。由圖10可知切屑厚度在刀齒偏轉(zhuǎn)的過程中隨著旋轉(zhuǎn)角φ不斷變化,而銑削過程中切屑的厚度變化量非常小時(shí),可以將厚度變化的切屑轉(zhuǎn)化為厚度均勻的等效切屑,如圖11所示,其等效切屑厚度[24]為

(5)

(6)

圖11 等效切屑與等效切屑厚度Fig.11 Equivalent chip and equivalent chip thickness

刀刃切出位置的局部區(qū)間內(nèi),切削力對(duì)保護(hù)層毛邊高度的影響較為顯著,因此討論切出時(shí)的切向比切削能與毛邊高度之間的關(guān)系。基于之前的分析,根據(jù)式(6)可以得到切向比切削能的計(jì)算表達(dá)式為

(7)

表3所示為不同刀具條件下工藝參數(shù)對(duì)切向比切削能與y軸方向保護(hù)層毛邊高度的影響。對(duì)于同一種刀具,在主軸轉(zhuǎn)速5 000～10 000 r/min的范圍內(nèi),隨著主軸轉(zhuǎn)速升高,切向比切削能有增大的趨勢(shì),y軸方向毛邊高度有減小的趨勢(shì);在進(jìn)給速度200～500 mm/min的范圍內(nèi),隨著進(jìn)給速度增加,切向比切削能有減小的趨勢(shì),y軸方向毛邊高度有增大的趨勢(shì);在徑向切削深度1.0～3.0 mm的范圍內(nèi),隨著徑向切削深度增加,切向比切削能有減小的趨勢(shì),y軸方向毛邊高度有增大的趨勢(shì)。對(duì)于同一種刀具而言,在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)切向比切削能與y軸方向毛邊高度呈負(fù)相關(guān),隨著切向比切削能增大,y軸方向毛邊高度有降低的趨勢(shì)。由于保護(hù)層與內(nèi)部碳纖維之間粘合強(qiáng)度較低,并且保護(hù)層處于最外層,受到的支撐強(qiáng)度偏低,因此其剛性較低。對(duì)同一種刀具,當(dāng)切向比切削能增大時(shí),纖維在變形較小或基本未產(chǎn)生變形時(shí)所受到的剪切應(yīng)力就達(dá)到了其剪切破壞強(qiáng)度,因此纖維在塑性變形尚不充分或塑性變形很小時(shí)就發(fā)生了斷裂與破壞,這樣未切斷的纖維形成毛邊的情況很大程度上得到了抑制,不易產(chǎn)生毛邊或者毛邊高度較小;當(dāng)切向比切削能較小時(shí)說明保護(hù)層纖維切削不充分,保護(hù)層在切向力與法向力的作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲變形,纖維在發(fā)生一段塑性變形后才發(fā)生破壞與斷裂,部分纖維由于受到的剪切應(yīng)力未達(dá)到其剪切破壞強(qiáng)度而未發(fā)生剪切斷裂,而是在切削力的作用下出現(xiàn)拉伸斷裂,從而產(chǎn)生大量較長(zhǎng)的毛邊。此外,對(duì)于同一種刀具,在進(jìn)給速度一定時(shí),隨著主軸轉(zhuǎn)速增大,每齒進(jìn)給量相應(yīng)減小,切屑厚度因而減小,因此銑削力減小,使得纖維在銑削力作用下的變形減小。這樣,纖維在變形量較小時(shí)就容易發(fā)生剪切斷裂,容易被有效去除,在一定程度上改善了表面產(chǎn)生大量長(zhǎng)毛邊的現(xiàn)象。

表3 不同刀具條件下工藝參數(shù)對(duì)切向比切削能與y軸方向保護(hù)層毛邊高度的影響

2.3 加工表面粗糙度與銑削溫度對(duì)比分析

圖12所示為4種刀具加工過程中最大銑削溫度的對(duì)比。在試驗(yàn)選用的參數(shù)范圍內(nèi),隨著主軸轉(zhuǎn)速和徑向切深增大,4種刀具的銑削溫度有升高的趨勢(shì);進(jìn)給速度由200 mm/min增加到300 mm/min,銑削溫度略有升高,之后隨著進(jìn)給速度增大銑削溫度略有下降;銑削溫度隨著銑削過程中產(chǎn)熱和散熱的情況而發(fā)生變化,主軸轉(zhuǎn)速增大,單位時(shí)間內(nèi)刀具與材料之間摩擦產(chǎn)生的熱量增多,同時(shí)材料去除量增多,消耗的功增大,使得銑削熱增加,因此銑削溫度有增大的趨勢(shì);進(jìn)給速度增大,單位時(shí)間內(nèi)材料去除量增大,銑削溫度增大,但隨著進(jìn)給速度進(jìn)一步增加,加工相同的長(zhǎng)度刀具與工件之間接觸時(shí)間減少,摩擦產(chǎn)生的熱量累積減少,散熱條件得到了改善,因此銑削溫度略有下降;徑向切深增大,單位時(shí)間內(nèi)材料去除量增大,消耗的功增大,產(chǎn)生的銑削熱量增多,同時(shí)刀具與材料之間的接觸面積增大,摩擦產(chǎn)生的熱量累積增多,因此銑削溫度增大。

圖12 4種刀具最大銑削溫度Fig.12 Maximum milling temperature of the four tools

圖13 銑削溫度紅外圖像Fig.13 Infrared image of milling temperature

根據(jù)圖12和圖13對(duì)比4種刀具的銑削溫度,復(fù)合銑刀加工時(shí)銑削溫度明顯比其他3種刀具高,這主要和刀具結(jié)構(gòu)有關(guān)。復(fù)合銑刀在每?jī)蓚€(gè)主切削刃之間交替排布了左旋和右旋的微刃,這些微刃之間的排屑槽很小,因此銑削過程中排屑效果不如其他3種刀具,散熱條件不佳,導(dǎo)致復(fù)合銑刀的銑削溫度比其他刀具高。銑削溫度最小的是玉米銑刀,玉米銑刀由多個(gè)呈金字塔形的微刃同時(shí)參與切削,每個(gè)微刃上的銑削力較小,材料的形變較小,摩擦產(chǎn)生的熱量累積減少,因此產(chǎn)生的銑削熱較小;同時(shí),微刃之間的排屑通暢,散熱條件較好,銑削溫度較低。

圖14 加工表面粗糙度SaFig.14 Machined surface roughness Sa

4種刀具加工表面粗糙度Sa如圖14所示,對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合銑刀加工表面粗糙度明顯高于其他 3種刀具,根據(jù)Jia等[25]的研究,這與刀具加工時(shí)銑削溫度有一定的關(guān)系,其研究表明切削溫度對(duì)于纖維的斷裂機(jī)理具有一定的影響。如圖15所示為銑削溫度對(duì)銑削過程中纖維斷裂位置的影響。對(duì)于0°纖維方向,低溫和高溫時(shí)纖維斷裂的位置差別不是很明顯,斷裂面基本與纖維方向平行,因此溫度變化對(duì)加工表面粗糙度的影響不是很顯著。對(duì)于45°纖維方向,銑削溫度較低時(shí)樹脂對(duì)纖維的粘結(jié)作用較強(qiáng),纖維與樹脂的變形較小,因此實(shí)際斷裂面與理論切削平面之間的偏移較小,加工后的表面粗糙度較低;銑削溫度較高時(shí),樹脂對(duì)纖維的粘結(jié)作用降低,纖維受到的支撐下降,變形增大,斷裂位置相比于低溫時(shí)發(fā)生了偏移,導(dǎo)致實(shí)際斷裂面與理論切削平面之間的偏移量增大,因此加工后的表面粗糙度增大。對(duì)于90°纖維方向,銑削溫度降低時(shí),纖維的彎曲變形較小,斷裂面與理論切削平面之間的偏移較小,獲得的表面粗糙度較低;當(dāng)銑削溫度較高時(shí),纖維的彎曲變形增大,斷裂面與理論切削平面之間的偏移增大,獲得的表面粗糙度增大。135°纖維方向與前兩者類似,銑削溫度較高時(shí)斷裂位置發(fā)生了偏移,斷裂面與理論切削平面之間的偏移增大導(dǎo)致表面粗糙度有所增加。復(fù)合銑刀由于加工過程中銑削溫度明顯高于其他3種刀具,因此獲得的表面粗糙度也比較高。

圖15 銑削溫度對(duì)纖維斷裂的影響[25]Fig.15 Effects of milling temperature on fiber fracture[25]

圖16所示為4種刀具在n=8 000 r/min、f=400 mm/min、ae=2.5 mm時(shí)的加工表面形貌圖,其中圖16(a)～圖16(d)左圖為ZYGO表面形貌儀繪制的加工表面形貌,右圖為對(duì)應(yīng)區(qū)域的微觀形貌。玉米銑刀和涂層銑刀的加工表面分布有凹坑(見圖16(a)和16(b)中位置1);復(fù)合銑刀的加工表面分布有凸起(見圖16(c)中位置1和位置3)和凹坑(見圖16(c)中位置2);PCD銑刀加工表面分布有窄條形凸起(見圖16(d)中位置2)和凹坑(見圖16(d)中位置1)。

圖16 加工表面形貌Fig.16 Machined surface topography

2.4 刀具與加工參數(shù)選用

由上述分析可知,左旋和右旋刀刃同時(shí)參與銑削,形成的分力在刀具軸向方向會(huì)抵消一部分,使得切削過程比較穩(wěn)定,一定程度上可以降低毛邊和分層引起的損傷。同時(shí),多個(gè)微刃共同銑削,增加了相同位置材料的去除次數(shù),增加了相同去除體積的走刀次數(shù),有利于抑制損傷[26]。此外,多微刃共同參與銑削,每個(gè)微刃上去除量很小,單刃銑削力因此減小,材料局部受到的載荷較小,減少了由于形變而產(chǎn)生的的毛邊。因此使用具有左右旋微刃的刀具,通過多刃微元銑削的方式可以有效抑制和減少加工中毛邊的產(chǎn)生。

以加工表面毛邊高度作為加工質(zhì)量的第1個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),當(dāng)毛邊高度低于300 μm時(shí)可以認(rèn)為加工質(zhì)量較好,通過上述分析,玉米銑刀、涂層銑刀和復(fù)合銑刀加工表面毛邊高度基本都在300 μm以下,而PCD銑刀加工表面毛邊高度基本在500 μm以上。在加工表面粗糙度的對(duì)比中,復(fù)合銑刀明顯劣于其他3種刀具。綜合考慮加工表面毛邊高度和表面粗糙度,具有左右旋微刃的玉米銑刀和涂層銑刀是較為合理的刀具結(jié)構(gòu)形式。

通過之前的分析可知高主軸轉(zhuǎn)速,低進(jìn)給速度和徑向切深可以獲得較低的毛邊高度,銑削溫度較高會(huì)使得表面粗糙度增大,因此選擇主軸轉(zhuǎn)速8 000～8 500 r/min,進(jìn)給速度300～400 mm/min,徑向切深1.5～2.0 mm,既能保證較低的毛邊高度,又可以防止較高的銑削溫度引起表面粗糙度增大。

3 結(jié)論

針對(duì)含保護(hù)層的T800 CFRP加工過程中容易產(chǎn)生毛邊分層缺陷問題,開展了不同結(jié)構(gòu)刀具的銑削加工試驗(yàn)研究,以期獲得可行的刀具結(jié)構(gòu)和合理可行的加工工藝參數(shù)。得出主要結(jié)論如下:

1)綜合考慮加工表面保護(hù)層毛邊高度和表面粗糙度,具有多微刃的銑刀可以有效降低毛邊高度,左旋和右旋微刃同時(shí)參與銑削可使銑削過程更加穩(wěn)定,具有左右旋微刃的玉米銑刀和涂層銑刀是較為可行的刀具結(jié)構(gòu)形式。

2)在進(jìn)給速度一定的條件下,表層織物保護(hù)層的加工表面毛邊高度隨主軸轉(zhuǎn)速的增加有減小的趨勢(shì);主軸轉(zhuǎn)速一定時(shí),毛邊高度隨進(jìn)給速度和徑向切深的增加有增大的趨勢(shì)。對(duì)于同一種刀具而言,在本文試驗(yàn)所選用的加工參數(shù)范圍內(nèi),切向比切削能與保護(hù)層y軸方向毛邊高度呈負(fù)相關(guān),隨著切向比切削能增大,保護(hù)層y軸方向毛邊高度有降低的趨勢(shì)。

3)較高的銑削溫度會(huì)引起纖維斷裂位置發(fā)生偏移,引起不同方向的纖維加工表面粗糙度增大。在主軸轉(zhuǎn)速8 000～8 500 r/min,進(jìn)給速度300～400 mm/min,徑向切深1.5～2.0 mm的條件下,選用硬質(zhì)合金玉米銑刀和金剛石涂層微刃銑刀,均能在保證較低毛邊高度的同時(shí),抑制較高的銑削溫度和避免表面粗糙度惡化。