基于三維粗糙度的多向CFRP 銑削加工刀具切入角度的優(yōu)化方法研究*

劉聰樂，任軍學(xué)，張雅莉，史愷寧

（西北工業(yè)大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高性能制造工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

隨著航空制造業(yè)的快速發(fā)展，其零部件在形狀結(jié)構(gòu)、質(zhì)量精度、體積重量等方面提出了更高的要求。為滿足新形勢(shì)下的特殊發(fā)展需求，復(fù)合材料零件已在現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)、大型客機(jī)、大型直升機(jī)等航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片就是其中非常具有代表性的零件。該零件重量輕，機(jī)加工材料去除率低，其品質(zhì)特征直接關(guān)系著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的服役性能及飛行安全，屬關(guān)鍵構(gòu)件。

目前，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片大多使用樹脂基的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced plastic，CFRP）。相比金屬材料，CFRP 具有更優(yōu)秀的力學(xué)性能。隨著航空工業(yè)對(duì)材料性能的要求不斷提高，CFRP 結(jié)構(gòu)件已經(jīng)逐步由次承力結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞒辛Y(jié)構(gòu)件?？梢灶A(yù)見，在未來航空航天的發(fā)展過程中，CFRP 的應(yīng)用會(huì)更加廣泛[1–3]。但在復(fù)合材料零件制作過程中，受成形工藝的制約，無法預(yù)留出用于裝配的孔、槽等特征，需要對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行二次加工[4]。CFRP 具有各向異性和非均勻性，其硬度高、導(dǎo)熱性差、纖維與樹脂性能差別較大，屬于典型的難加工材料[5]。

由于CFRP 具有各向異性，在銑削過程中隨刀具切入角度的變化，材料的斷裂形式會(huì)發(fā)生變化，較為常見的斷裂形式有剪切斷裂、彎曲斷裂、層間分離，不同的斷裂形式獲得的表面質(zhì)量差別會(huì)非常大。為保證結(jié)構(gòu)件在多個(gè)方向都具有一定的承載能力，航空工業(yè)中一般采用CFRP 多向鋪層，這就使得材料的各向異性以及不均勻性更為復(fù)雜。因此，如何優(yōu)化銑削CFRP 的刀具切入角度，成為了某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)第一級(jí)風(fēng)扇葉片在銑削過程中急需解決的問題。

目前，針對(duì)各向異性對(duì)銑削加工性能的影響規(guī)律已有一些研究。Henerichs[6]和Voss[7]等針對(duì)各向異性對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了工藝參數(shù)優(yōu)化，一致認(rèn)為剪切斷裂可以獲得較好的表面質(zhì)量。Wang等[8]通過側(cè)銑不同方向的CFRP 單向?qū)雍习?，研究各向異性?duì)加工缺陷的影響，研究表明，纖維方向角在小于90°時(shí)易產(chǎn)生毛刺損傷，在大于90°易發(fā)生纖維拔出情況，而毛刺可以通過后序工藝消除，但纖維拔出無法修補(bǔ)。Chen[9]、Li[10]和秦旭達(dá)[11]等研究了各向異性對(duì)銑削加工切削力的影響規(guī)律。其中，Chen[9]將切削力模型分為3 個(gè)部分： 0°～90°； 90°～180°； 0°，最終建立了考慮材料各向異性的切削力模型。除銑削外，還有部分學(xué)者研究了各向異性對(duì)其他工藝加工性能的影響規(guī)律。陳文成等[12]使用Abaqus 軟件仿真的方式研究了各向異性對(duì)鉆削孔壁質(zhì)量和溫度的影響規(guī)律。婁帥偉[13]和馬付建等[14]分別研究了各向異性對(duì)磨削加工性能和超聲磨削加工性能的影響規(guī)律。

綜上所述，部分學(xué)者針對(duì)CFRP 各向異性對(duì)加工性能的影響進(jìn)行了研究。但是，現(xiàn)有的研究主要以單向CFRP作為研究對(duì)象，針對(duì)多向CFRP的研究極少。因此，隨著多向?qū)雍习逶诠こ讨械膽?yīng)用越來越廣泛，需要針對(duì)多向CFRP 在銑削加工中的切入角度優(yōu)化方法進(jìn)行研究，以提高多向鋪層復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的表面質(zhì)量。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 各向異性參數(shù)化

為了簡(jiǎn)便地表征CFRP 各向異性，對(duì)纖維方向進(jìn)行參數(shù)化。針對(duì)單層纖維，定義了纖維方向角θ和纖維切削角ψ。當(dāng)?shù)毒哂倚覚C(jī)床主軸正轉(zhuǎn)時(shí)，纖維方向角θ定義為刀具進(jìn)給方向沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)至纖維方向的角度；纖維切削角ψ定義為刀具刃口切線方向沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)至纖維方向的角度。顯然，在刀具沿直線銑削的過程中，纖維方向角θ為固定值而纖維切削角ψ為變化值，如圖1 所示。當(dāng)?shù)毒咔腥虢嵌茸兓瘯r(shí)，纖維方向角θ和纖維切削角ψ都會(huì)隨之變化。

圖1 纖維方向角θ 與瞬時(shí)纖維切削角ψFig.1 Fiber directional angle θ and instantaneous fiber cutting angle ψ

將CFRP 銑削加工分為兩種工況，第1 種是切入纖維切削角ψst等于纖維方向角θ，即逆銑；第2 種是切出纖維切削角ψex等于纖維方向角θ，即順銑。當(dāng)銑削方式、刀具半徑R、徑向切深ae、纖維方向角θ已知時(shí)，纖維切削角ψ的變化范圍可用以下公式計(jì)算。

當(dāng)ψst=θ時(shí)，ψex可由式（1）計(jì)算。

當(dāng)ψex=θ時(shí)，ψst可由式（2）計(jì)算。

以單層CFRP 纖維方向的參數(shù)化方法為基礎(chǔ)，對(duì)鋪層CFRP 的纖維方向進(jìn)行參數(shù)化。CFRP 單向?qū)雍习宓睦w維方向角和纖維切削角與單層纖維的定義一致，可視為每層方向一致的多向?qū)雍习?。在航空工業(yè)中，CFRP多向?qū)雍习宓睦w維方向不會(huì)隨機(jī)分布，會(huì)以一定規(guī)律重復(fù)鋪層，因此只需參數(shù)化一組纖維方向。

假設(shè)頂層纖維方向?yàn)榛鶞?zhǔn)角度α，然后將頂層纖維沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至與第2 層重合，旋轉(zhuǎn)角度記為β1，則定義第2 層的纖維方向?yàn)棣?β1。依次類推，則第i層的纖維方向?yàn)棣?βi–1，如圖2 所示（其中虛線為與頂層纖維共面的任意直線）。假設(shè)某CFRP 多向?qū)雍习宓囊唤M纖維方向?yàn)閇αα+β1…α+βi+1]，定義第i層纖維的纖維方向角為θi，則當(dāng)θ1確定后，θi的計(jì)算方法為

圖2 CFRP 多向?qū)雍习謇w維方向示意圖Fig.2 Schematic diagram of fiber direction of CFRP multidirectional laminate

由此可得，多向?qū)雍习宓睦w維方向角矩陣[θ1θ2…θi]，將矩陣中的每個(gè)元素代入式（1）或（2），即可得到多向?qū)雍习迕繉永w維的纖維切削角范圍，得到多向?qū)雍习宓睦w維切削角矩陣，如式（4）所示。由于實(shí)際應(yīng)用中的多向CFRP 的鋪層方式具有周期性，因此計(jì)算一個(gè)鋪層周期的纖維方向角矩陣和纖維切削角矩陣即可。

1.2 加工表面質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)

在表面質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，常用表面粗糙度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。銑削金屬材料時(shí)，加工表面紋理具有“一致性”，表面形貌較為統(tǒng)一。而CFRP 具有各向異性，刀具從不同纖維方向切入時(shí)切削機(jī)理會(huì)截然不同，其表面形貌一致性低，并且會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的微小缺陷。因此，使用二維表面粗糙度對(duì)表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)會(huì)丟失部分表面信息造成較大的誤差，必須使用三維表面粗糙度。

Sa表征了測(cè)量區(qū)域內(nèi)波峰和波谷所包含的體積平均值。假設(shè)保持體積不變，重新分配波峰波谷的高度不會(huì)引起Sa的變化，但被加工表面的性能此時(shí)已發(fā)生巨大的變化。Sq是表面偏差的加權(quán)平均值，在表征測(cè)量表面的波峰波谷總面積的同時(shí)，還可以表征表面波峰波谷的高度分布偏差。Sq比Sa包含的信息更多，更適用于CFRP 加工質(zhì)量評(píng)價(jià)，這也得到了一些學(xué)者的肯定[15–16]。而波峰波谷最大高度差St、最大峰高Sp、最大谷深Sv可以作為表征表面的極限尺寸的輔助指標(biāo)。

除此之外，同時(shí)使用Ssk、Sku、Sal、Str綜合評(píng)價(jià)CFRP的表面質(zhì)量。Ssk是表面的偏差與基準(zhǔn)面對(duì)稱性的表征值，Ssk<0 時(shí)表面分布偏向于低于基準(zhǔn)面，具有較好的液體滯留能力和承載能力；反之，Ssk>0 時(shí)表面分布偏向于高于基準(zhǔn)面的一側(cè)。Sku一般與Ssk同時(shí)使用，用于表征尖峰或溝壑的陡峭程度。Sal與Str是表征紋理特征以及頻率特征的空間參數(shù)。Sal值越低，說明加工表面以高頻短波為主，表示加工表面的尖峰或溝壑呈窄長(zhǎng)狀，單一尖峰或溝壑面積小，結(jié)合Str可表征表面紋理的一致性。使用3D表面粗糙度時(shí)，應(yīng)在表面上取多個(gè)區(qū)域采樣并取其平均值，但St、Sp、Sv這3 個(gè)參數(shù)應(yīng)取多個(gè)采樣區(qū)間的最大值。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)均在VMC-850 三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床上完成，并測(cè)量了銑削力，加工表面測(cè)量了3D 表面粗糙度。測(cè)力系統(tǒng)由Kistler-9255B 測(cè)力臺(tái)、Kistler-5017A 電荷放大器、DEWE3010 數(shù)據(jù)采集器與處理系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)終端組成；表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)使用Marsurf XT20 表面粗糙度儀；表面微觀形貌觀察使用萊卡S6D 顯微鏡。

在測(cè)量表面粗糙度時(shí)，在被加工表面上均取3 個(gè)區(qū)域進(jìn)行采樣。采樣間距為平行于刀具進(jìn)給方向0.05 μm，垂直于刀具進(jìn)給方向20 μm，采樣面積1.8 mm×1.8 mm，每個(gè)區(qū)域采樣點(diǎn)數(shù)量為327600 個(gè)，使用高斯濾波法進(jìn)行濾波。

本文所有試驗(yàn)材料均采用T800 纖維與AC531 環(huán)氧樹脂經(jīng)鋪層形式成型的CFRP 層合板，層數(shù)為24 層，板厚約4 mm。采用了單向?qū)雍习搴蛢煞N多向?qū)雍习?，多向?qū)雍习宓匿亴臃绞綖榉謩e為[0°/90°/45°/135°]（簡(jiǎn)稱為四向?qū)雍习澹┖蚚0°/45°/0°/135°]（某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)第一級(jí)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的鋪層方向）。

1.4 試驗(yàn)方案

1.4.1 單向CFRP 銑削試驗(yàn)

根據(jù)CFRP 的材料性能，纖維的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)高于剪切強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度大于層與層之間的結(jié)合強(qiáng)度。因此，纖維在切削過程中發(fā)生拉伸斷裂的概率極低。材料的去除主要依靠層之間的分離以及纖維的剪切斷裂。下文對(duì)幾種典型切入角度下材料的斷裂形式進(jìn)行理論分析。

當(dāng)ψ=0°，材料的斷裂形式為層間分離，如圖3（a）所示；當(dāng)0°<ψ<90°，材料的斷裂形式為纖維的剪切斷裂，然后結(jié)合層間分離將材料去除，直至ψ=90°時(shí)成為完全的剪切斷裂，如圖3（b）和（c）所示；當(dāng)90°<ψ<180°，刀具與材料首先接觸的部位將不是刀刃，而是前刀面，材料被彎曲直至折斷，如圖3（d）所示。

圖3 幾種典型角度下CFRP 的斷裂形式示意圖Fig.3 Schematic diagram of CFRP fracture mechanism under several typical angles

為研究單層纖維在不同切入角度下的表面質(zhì)量變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了單向?qū)雍习逶诓煌腥虢嵌认碌你娤髟囼?yàn)。主軸轉(zhuǎn)速2000 r/min、進(jìn)給速度200 mm/min、徑向切深1.7 mm，軸向切深為板厚，約4 mm。選取纖維方向角θ分別為0°、45°、90°、135°，以ψst=θ和ψex=θ兩種銑削方式進(jìn)行加工。

1.4.2 多向CFRP 銑削試驗(yàn)

使用鋪層方向?yàn)閇0°/90°/45°/135°]四向鋪層CFRP多向?qū)雍习暹M(jìn)行試驗(yàn)，同樣使用半徑6 mm、螺旋角40°的金剛石涂層兩齒立銑刀，主軸轉(zhuǎn)速為2000 r/min，進(jìn)給速度為200 mm/min，徑向切深為1.7 mm，軸向切深為板厚。選取首層纖維方向角θ1分別為0°、45°、90°、135°、165°，分別以ψst=θ和ψex=θ兩種銑削方式進(jìn)行加工，具體參數(shù)見表1。

表1 [0°/90°/45°/135°]的CFRP 多向?qū)雍习邈娤髟囼?yàn)參數(shù)Table 1 Milling experimental parameters of CFRP multidirectional laminates [0°/90°/45°/135°]

然后，使用鋪層方向?yàn)閇0°/45°/0°/135°]的CFRP 多向?qū)雍习暹M(jìn)行試驗(yàn)，以首層纖維方向角θ1為0°、45°、90°、135°、120°、150°的6 個(gè)切入角度，以同樣的刀具和參數(shù)分別以ψst=θ和ψex=θ兩種銑削方式進(jìn)行加工，具體參數(shù)見表2。

表2 [0°/45°/0°/135°]的CFRP 多向?qū)雍习邈娤髟囼?yàn)參數(shù)Table 2 Milling experimental parameters of CFRP multidirectional laminates [0°/45°/0°/135°]

2 結(jié)果與分析

2.1 不同切入角度下的單向CFRP 銑削加工表面質(zhì)量規(guī)律

由1.1 節(jié)可知，本文將CFRP 銑削加工分為兩種，切入纖維切削角ψst等于纖維方向角θ或者切出纖維切削角ψex等于纖維方向角θ。因此，將ψst=θ的銑削形式所得加工表面稱為切入邊，ψex=θ的銑削形式所得加工表面稱為切出邊。

由表3 的三維粗糙度數(shù)據(jù)可知，當(dāng)纖維方向角一致時(shí)，切入邊和切出邊的表面質(zhì)量基本持平，僅有非常微小的區(qū)別，其表面形貌也基本一致，圖4 所示分別為θ=90°時(shí)切入邊與切出邊的表面形貌。表面質(zhì)量稍好的并不一定是固定的切入邊或者切出邊，這與金屬加工有所不同，通常在金屬加工中，認(rèn)為“順銑”相比“逆銑”具有更好的表面質(zhì)量，CFRP 銑削加工不具有該特征。

表3 單向CFRP 銑削試驗(yàn)三維粗糙度Table 3 Three-dimensional roughness of unidirectional CFRP milling experiment

圖4 θ =90°時(shí)切入邊與切出邊的表面形貌Fig.4 Surface topography of cut-in and cut-out edges when θ =90°

同時(shí)，發(fā)現(xiàn)無論在切入邊或切出邊，當(dāng)θ=135°時(shí)，表面質(zhì)量明顯差于其余纖維方向角。分析認(rèn)為主要是由于此時(shí)的斷裂形式為彎曲斷裂。采集各表面的表面形貌，如圖5 所示。當(dāng)θ=0°時(shí)，表面形貌為長(zhǎng)纖維鋪成，斷裂形式為層間分離；而θ=45°和θ=90°時(shí)，表面形貌主要為整齊的纖維切口，斷裂形式為剪切斷裂；當(dāng)θ=135°時(shí)，表面形貌具有不規(guī)則的纖維抽出情況，表面有明顯的凹坑，斷裂形式為彎曲斷裂。綜上，當(dāng)?shù)毒哐夭煌腥虢嵌惹腥氩牧蠒r(shí)，各向異性會(huì)導(dǎo)致不同的斷裂形式，而不同的斷裂形式會(huì)對(duì)表面質(zhì)量、切削力、加工性能等因素產(chǎn)生較大的影響。其中彎曲斷裂會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的亞表面損傷，其表面質(zhì)量差于剪切斷裂。

圖5 不同纖維方向角下的表面形貌Fig.5 Surface topography under different fiber orientation angles

以此為基礎(chǔ)，以同樣的切削參數(shù)，以15°為間隔，在ψex=θ的工況下進(jìn)行了銑削試驗(yàn)并測(cè)量了三維表面粗糙度。發(fā)現(xiàn)90°<θ<180°時(shí)，其表面質(zhì)量要差于0°<θ<90°的表面質(zhì)量，尤其是當(dāng)θ=135°和θ=150°時(shí)，表面質(zhì)量非常差，遠(yuǎn)差于90°<θ<180°的加工表面。

綜上所述，當(dāng)切入角度改變時(shí)，CFRP 的斷裂形式會(huì)發(fā)生改變，這會(huì)導(dǎo)致表面質(zhì)量有非常大的差別。因此，在CFRP 銑削加工時(shí)，應(yīng)針對(duì)切入角度進(jìn)行優(yōu)化以提高表面質(zhì)量。

2.2 多向CFRP 銑削加工刀具切入角度優(yōu)化原則

刀具切入角度的變化對(duì)多向CFRP 銑削加工存在以下影響。

（1）刀具切入角度的變化會(huì)使CFRP 多向?qū)雍习謇w維方向角矩陣[θ1θ2…θi]產(chǎn)生變化，這會(huì)導(dǎo)致斷裂形式的改變并最終影響加工質(zhì)量，不同斷裂形式的加工質(zhì)量差距較大。

（2）當(dāng)被加工表面的纖維方向角一致時(shí)，不同的銑削方式（順銑或逆銑）對(duì)加工質(zhì)量有小幅度的影響，但差距不大。

綜上，切入角度的改變會(huì)引起多向CFRP 各層纖維斷裂形式的轉(zhuǎn)變，以及纖維切削角范圍的改變，最終對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，對(duì)加工質(zhì)量影響最大的是纖維斷裂形式的改變。

結(jié)合前文的結(jié)論，針對(duì)CFRP 銑削加工的刀具切入角度優(yōu)化應(yīng)遵從以下原則。

（1）應(yīng)使被加工表面的纖維方向角矩陣的每個(gè)元素在[0°，90°]之間，避免被加工表面的纖維斷裂形式為彎曲斷裂。相比層間分離和剪切斷裂，彎曲斷裂的表面質(zhì)量會(huì)急劇下滑。

（2）若無法使纖維方向角矩陣中的所有元素都在[0°，90°]之內(nèi)，此時(shí)，彎曲斷裂無法避免，纖維方向角θi應(yīng)盡量選擇90°～120°及165°～180°這兩個(gè)區(qū)間，盡量不選擇135°～150°區(qū)間。

（3）當(dāng)斷裂形式為層間分離和剪切斷裂時(shí)，其表面質(zhì)量差距并不大，應(yīng)盡量將纖維方向角矩陣中的元素置于[0°，45°]之間，可以避免較大的纖維回彈現(xiàn)象。

總之，在CFRP 多向?qū)雍习邈娤骷庸ぶ?，?yīng)盡量避免加工表面存在彎曲斷裂；若無法避免，則應(yīng)盡量避開加工表面質(zhì)量較差的纖維方向角。

2.3 優(yōu)化原則驗(yàn)證方法

2.3.1 [0°/90°/45°/135°]鋪層的CFRP 多向?qū)雍习逶囼?yàn)驗(yàn)證

由表1 所示，該組試驗(yàn)包含了切入角度和纖維方向角矩陣一致而纖維切削角矩陣不一致的試驗(yàn)，在該組加工參數(shù)下被加工表面的各層纖維的斷裂形式完全一致，而纖維切削角變化區(qū)間不一致，即試驗(yàn)中編號(hào)為4–（2k–1）和4–（2k）的兩組試驗(yàn)（0

對(duì)2.2 節(jié)試驗(yàn)中的被加工表面進(jìn)行了三維粗糙度的測(cè)量，并計(jì)算了切入角度相同的兩種銑削方法的三維粗糙度指標(biāo)平均值ηi，測(cè)量結(jié)果見表4。

表4 [0°/90°/45°/135°]的CFRP 多向?qū)雍习邈娤髟囼?yàn)的三維粗糙度Table 4 Three-dimensional roughness of [0°/90°/45°/135°] CFRP multidirectional laminates milling experiment

分析表4 中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在本次試驗(yàn)所選的切入角度中，所有被加工表面具有差別不大的Ssk、Sal、Str。說明在本次試驗(yàn)中，被加工表面的承載能力和紋理一致性是比較相近的，切入角度的變化基本不影響這幾項(xiàng)指標(biāo)。

而當(dāng)纖維方向角矩陣一致時(shí)（即切入角度一致），纖維切削角矩陣會(huì)對(duì)加工表面的輪廓質(zhì)量有一定影響。在這5 組纖維方向角矩陣相同的試驗(yàn)中，被加工表面作為切入邊時(shí)比被加工表面作為切出邊時(shí)表面質(zhì)量稍好，切出邊的Sq會(huì)比切入邊高出20%～55%。同時(shí)，作為切出邊的被加工表面的Sp、Sv、St相比切入邊的被加工表面均出現(xiàn)了一定的增長(zhǎng)，這進(jìn)一步說明當(dāng)被加工表面纖維斷裂形式完全一致時(shí)，不同的纖維切削角范圍會(huì)對(duì)被加工表面的輪廓質(zhì)量有一定的影響。而當(dāng)纖維切削角一致而纖維方向角不一致時(shí)，被加工表面的輪廓質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的波動(dòng)。除4–4 和4–5 這兩組試驗(yàn)外，其余兩組試驗(yàn)均出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，該兩組試驗(yàn)中Sq較大值比較小值高出了70%～94%，而4–4 和4–5 的CFRP多項(xiàng)層合板的波動(dòng)僅為17%。這說明纖維切削角矩陣對(duì)加工表面的影響較小，且無規(guī)律性，對(duì)加工質(zhì)量起決定性作用的是試驗(yàn)中的變量——纖維方向角矩陣，該因素的改變使加工表面質(zhì)量出現(xiàn)了較大的波動(dòng)。

η5對(duì)應(yīng)的表面質(zhì)量與η1至η4相比沒有優(yōu)劣之分，略優(yōu)于η1和η3，略差于η2和η4，基本處于同一水平線。η1～η4雖然只有25%的纖維層處于彎曲斷裂之中，但其加工質(zhì)量卻有較大可能性低于有50%的纖維層處于彎曲斷裂的η5。這說明在CFRP 銑削加工時(shí)當(dāng)被加工表面的纖維切削角為135°時(shí)，其加工表面質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的下滑，在CFRP 多向?qū)雍习邈娤骷庸r(shí)，被加工表面若存在彎曲斷裂時(shí)應(yīng)避開該角度。

2.3.2 [0°/45°/0°/135°]鋪層的CFRP 多向?qū)雍习逶囼?yàn)驗(yàn)證

由表2 可知，該試驗(yàn)包括了多種加工參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)，可以有效分析纖維方向角矩陣、刀具切入角度、纖維切削角矩陣等因素對(duì)CFRP 多向?qū)雍习邈娤骷庸べ|(zhì)量的影響。而根據(jù)刀具切入角度優(yōu)化原則，該鋪層方案層合板的最佳刀具切入角度為θ1=45°時(shí)，此時(shí)的纖維方向角矩陣為[45° 90° 45° 0°]，進(jìn)行CFRP 多向?qū)雍习邈娤骷庸r(shí)纖維斷裂形式中不含彎曲斷裂。

根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，并計(jì)算了同一切入角度下切入邊與切出邊三維粗糙度的平均值ηi，三維粗糙度數(shù)據(jù)見表5。

表5 [0°/45°/0°/135°]的CFRP 多向?qū)雍习邈娤髟囼?yàn)的三維粗糙度Table 5 Three-dimensional roughness of [0°/45°/0°/135°] CFRP multidirectional laminates milling experiment

如表5 所示，η2對(duì)應(yīng)根據(jù)2.2 節(jié)原則所確定的最佳切入角度。分析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，其最大谷深Sv值相比其余切入角度有較為明顯的下降，說明被加工表面的亞表面損傷程度顯著降低。

同時(shí)，通過相同切入角度下不同銑削方式的表面三維粗糙度參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，纖維切削角矩陣不同會(huì)對(duì)表面質(zhì)量造成一定的影響，其Sq值變化幅度大約在2%～67%。而通過相同纖維切削角矩陣不同纖維方向角矩陣（切入角度）的表面三維粗糙度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，其Sq值變化幅度大約在41%～93%，這說明被加工表面的表面質(zhì)量受纖維切削角矩陣的影響較小，纖維方向角矩陣對(duì)被加工表面的影響程度更高。

除η2對(duì)應(yīng)組外，其余切入角度下被加工表面的纖維斷裂均含有彎曲斷裂。其中，η1和η3對(duì)應(yīng)的纖維方向角矩陣分別為[0° 45° 0° 135°]和[90° 135° 90° 45°]，這兩個(gè)角度具有一樣的彎曲斷裂形式，而這兩個(gè)切入角度的表面質(zhì)量也非常接近。同時(shí)，當(dāng)纖維方向角θi= 0°時(shí)纖維斷裂形式為層間分離；當(dāng)θi=90°時(shí)纖維斷裂形式為剪切斷裂，這兩個(gè)切入角度表面質(zhì)量接近也能說明層間分離和剪切斷裂的表面質(zhì)量差別并不大。

而η4、η5和η6分別對(duì)應(yīng)具有一半或一半以上的纖維層為彎曲斷裂形式，這3 個(gè)切入角度的表面質(zhì)量也相對(duì)較差，其纖維方向角矩陣分別為[135° 0° 135° 90°]、[120° 165° 120° 75°] 和[150° 15° 150° 105°]。其中，η5和η6都對(duì)應(yīng)75%的纖維層的斷裂形式為彎曲斷裂，且η6對(duì)應(yīng)50%的纖維層處于需盡量避免的彎曲斷裂角度，但其表面質(zhì)量略好于η5對(duì)應(yīng)組。分析認(rèn)為由于本次試驗(yàn)所用的刀具前角為10°，因此當(dāng)纖維方向角θi=105°時(shí)，其彎曲斷裂情況并不嚴(yán)重，因此可以認(rèn)為η6和η4對(duì)應(yīng)組一樣有50%的纖維層處于彎曲斷裂之中。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，η5對(duì)應(yīng)組相比于η6多出了25%的彎曲斷裂的纖維層，但其三維粗糙度參數(shù)基本一致，Sq值相比η6僅增多14%。這也佐證了在CFRP 多向?qū)雍习逯斜M量不選擇纖維切削角范圍在135°～150°的合理性，同時(shí)也說明了彎曲斷裂所導(dǎo)致的亞表面損傷對(duì)CFRP 銑削加工表面質(zhì)量會(huì)造成較為嚴(yán)重的影響。

綜上所述，認(rèn)為本文提出的CFRP 單向?qū)雍习謇w維斷裂機(jī)制以及CFRP 多向?qū)雍习邈娤骷庸さ毒咔腥虢嵌葍?yōu)化原則是合理的。

3 結(jié)論

通過一系列的試驗(yàn)和分析，得出了以下結(jié)論。

（1）在CFRP 銑削加工時(shí)，刀具切入角度變化時(shí)材料的各向異性會(huì)導(dǎo)致斷裂形式隨之變化，不同的斷裂形式表面質(zhì)量差距較大。剪切斷裂和層間分離的表面質(zhì)量較好，彎曲斷裂的表面質(zhì)量較差。

（2） 90°<θ<180°時(shí)，其表面質(zhì)量要差于0°<θ<90°時(shí)，尤其是當(dāng)θ=135°和θ=150°時(shí)，表面質(zhì)量非常差，遠(yuǎn)差于其余90°<θ<180°的加工表面，在加工時(shí)要極力避免。

（3）在優(yōu)化多向CFRP 銑削加工的刀具切入角度時(shí)，應(yīng)避免斷裂形式含有彎曲斷裂，若無法避免，則應(yīng)選擇影響較小的角度。同時(shí)，應(yīng)盡量將纖維方向角矩陣中的元素置于區(qū)間[0°，45°]之間，可以避免較大的纖維回彈現(xiàn)象。

（4）本文提出的刀具切入角度優(yōu)化原則較為簡(jiǎn)單，優(yōu)化目標(biāo)僅考慮表面三維粗糙度，未考慮切削力以及刀具磨損等諸多可能會(huì)影響加工質(zhì)量的因素。后續(xù)將針對(duì)多向CFRP 銑削加工進(jìn)行理論分析，建立考慮不同鋪層方案、表面質(zhì)量、刀具磨損等元素的多目標(biāo)優(yōu)化模型。