王明海，劉娜，徐穎翔，劉大響，姜慶杰

(1．北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京 100191;2．沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，遼寧沈陽 110136;3．中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司技術(shù)中心，遼寧沈陽 110043)

0 前言

碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)由于具備比強度高、質(zhì)量輕、抗疲勞性能好、耐腐蝕等卓越的力學(xué)性能，越來越廣泛地用在航空航天工業(yè)中的飛機機身和機翼［1］。然而，在碳纖維復(fù)合材料二次加工過程中，經(jīng)常發(fā)生分層、起毛、纖維拔出等加工缺陷，從而降低材料的性能及疲勞壽命。此外，由于碳纖維的高磨蝕性，導(dǎo)致刀具磨損過快，這都嚴重影響碳纖維復(fù)合材料的廣泛使用［2］。

傳統(tǒng)鉆孔時，由于鉆頭橫刃對材料的擠壓作用，大大增加了軸向力，惡化制孔質(zhì)量。然而，螺旋銑采用偏心加工，消除了傳統(tǒng)麻花鉆橫刃的作用，有利于改善加工質(zhì)量。秦旭達等［3］對螺旋銑孔動力學(xué)進行分析，具體描述螺旋銑孔的優(yōu)勢以及在航空制造業(yè)中廣泛的應(yīng)用前景。王奔等人［4］和朱春燕等［5］通過碳纖維復(fù)合材料傳統(tǒng)鉆孔和螺旋銑孔對比試驗，發(fā)現(xiàn)螺旋銑孔下的軸向力、切削溫度及加工質(zhì)量均要比傳統(tǒng)鉆孔好。DENKENA等［1］對螺旋銑孔下未變形切屑的幾何形貌進行建模，從而分析軸向和切向進給量對切削力的影響。Zhongqun LI等［6］建立了一種螺旋銑削的新型動態(tài)切削力模型，并借此對碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔下切削力進行預(yù)測。

通過碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔正交試驗，對不同切削參數(shù)下的切削力進行監(jiān)測，利用線性回歸的手段，推導(dǎo)出軸向力Fz和平面切削力Fxy的經(jīng)驗公式。然后對螺旋銑孔下孔加工質(zhì)量進行探討，分析切削參數(shù)對加工質(zhì)量的影響。

1 試驗設(shè)計

1．1 螺旋銑孔運動軌跡分析

在傳統(tǒng)鉆孔過程中，切削參數(shù)主要包括鉆頭自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和沿軸向進給速度。然而，螺旋銑孔時刀具中心的運動軌跡是一條螺旋曲線，銑刀自轉(zhuǎn)的同時還繞待加工孔的軸線公轉(zhuǎn)，延孔軸線方向的進給速度保證切削連續(xù)進行，如圖1所示。其中Dm為銑刀直徑，e為偏心量，即待加工孔軸線與銑刀軸線之間的偏移距離，根據(jù)Dm和e可以計算出待加工孔直徑D;n和ng分別為銑刀自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速;ap為螺旋線的螺距，也就是銑刀每公轉(zhuǎn)一周沿軸線方向進給的距離［4］;fc為xoy水平面內(nèi)銑刀中心的進給速度，并且記St為銑刀中心每齒進給量。

圖1 螺旋銑孔運動示意圖

1．2 切削參數(shù)選擇

在螺旋銑孔過程中，銑刀自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速n通常遠大于軌道轉(zhuǎn)速ng，因此可以近似認為切削速度v正比于銑刀主軸轉(zhuǎn)速n，故螺旋銑孔切削工藝參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速n、銑刀中心每齒進給量St以及軸向切削深度ap。采用正交表L25(53)對碳纖維復(fù)合材料進行螺旋銑孔試驗［7］，各切削參數(shù)的因素水平表如表1所示。

表1 切削參數(shù)及因素水平表

1．3 試驗條件

試驗中工件材料為T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，鋪層角度為［0°/90°/+45°/-45°/0°］s，對稱鋪層以消除層間耦合效果，其纖維的體積比為60±5%，工件厚度約為4 mm，待加工孔的直徑為8 mm。在螺旋銑孔過程中，銑刀直徑與待加工孔直徑的比例大約為55%～90%［8］。因此，采用直徑為6 mm的四刃硬質(zhì)合金銑刀進行加工，刃部覆TiAlN涂層以增強刀具的強度和韌性。

螺旋銑孔試驗在VMC850B三坐標立式加工中心上進行，如圖2所示，碳纖維復(fù)合材料板固定在YDX-Ⅲ9702型壓電式銑削測力儀上，3個方向的切削力信號通過SINOCERA YE5850型電荷放大器進行放大處理，再經(jīng)DIN-50S型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后通過PCI-9118DG型多功能數(shù)據(jù)采集卡獲得模擬信號，并在切削力動態(tài)測量顯示系統(tǒng)軟件中進行分析處理。由于碳纖維切屑的導(dǎo)電性，易造成電器設(shè)備的短路，同時碳纖維粉塵吸入人體后危害人的健康。試驗過程中，利用吸塵器對產(chǎn)生的碳纖維切屑進行收集。

圖2 試驗設(shè)備連接

2 結(jié)果分析

2．1 切削力

切削力是反映加工過程的重要參數(shù)，切削力的大小和波動情況直接體現(xiàn)加工狀態(tài)并影響加工表面質(zhì)量［9］。在碳纖維復(fù)合材料制孔過程中，軸向力是造成孔壁周圍材料分層，孔出入口撕裂、毛刺等重大缺陷的主要因素［10］。因此，準確地預(yù)測碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔過程中切削力的大小不僅可以反映銑刀和碳纖維復(fù)合材料之間的相互作用，還可以借此預(yù)測孔加工質(zhì)量，對理解螺旋銑孔的切削機理有重要的參考價值。

圖3為主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min、銑刀中心每齒進給量St=0．02 mm/齒、軸向切削深度ap=0．1 mm/r時的3個方向切削力變化曲線，其中z方向為銑刀進給方向，xoy平面為工件表面。

圖3 切削力變化曲線

從圖中可以看出，在穩(wěn)定切削階段，x方向和y方向的切削力均呈周期性變化，并且峰值基本相同，這是因為所加工的碳纖維復(fù)合材料的鋪層角度為［0°/90°/+45°/-45°/0°］s，材料性能為準各向同性，即材料在xoy平面內(nèi)任意方向的宏觀性能均基本相同;此時，由進給產(chǎn)生的z向切削力沒有太大的波動，由于銑刀切削刃全部參與切削，軸向切削力達到最大值，并且基本穩(wěn)定在55．5 N左右。

由前面分析可知，在穩(wěn)定切削階段x方向和y方向的切削力變化曲線僅僅相差一個相位差。因此，取Fxy為穩(wěn)定切削時Fx或Fy的峰值，即:

為了分析不同切削參數(shù)下各向切削力的變化規(guī)律，改變切削參數(shù)進行碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔正交試驗，并以Fxy和Fz作為監(jiān)測對象，試驗結(jié)果列于表2中。

再次，就貼牌生產(chǎn)的問題而言。重慶自貿(mào)區(qū)大約占地120平方公里。其中包括兩江新區(qū)、沙坪壩區(qū)、重慶西部物流園、西永微電子產(chǎn)業(yè)園區(qū)。今年新建的重慶自由貿(mào)易區(qū)擁有全面開放的特點，這使得通關(guān)和出境條件便利，利于自由貿(mào)易區(qū)內(nèi)定牌加工行為的增加，這也導(dǎo)致知識產(chǎn)權(quán)侵權(quán)現(xiàn)象會更加普遍。

表2 碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔正交試驗結(jié)果

切削力經(jīng)驗公式是將切削力試驗數(shù)據(jù)整理后總結(jié)出的數(shù)學(xué)關(guān)系式。它具有結(jié)構(gòu)簡單、物理意義明確、符合實際等特點，是科研工作中常用的一種手段。通過切削力經(jīng)驗公式的建立，還可以反過來進一步指導(dǎo)相關(guān)的科研工作和實際生產(chǎn)［11］。

根據(jù)文獻［12］中關(guān)于切削力的介紹，得到切削力試驗公式的指數(shù)形式:

將式(2)方程兩邊同時取自然對數(shù)，整理后得:

式中:y=ln F;x1=ln n;x2=ln St;x3=ln ap。

將不同切削參數(shù)下軸向力Fz的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到式(3)中，并利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件進行多元線性回歸分析，得到各偏回歸系數(shù)的估計值:b0=6．536 5、b1=-0．072 8、b2=0．304 7、b3=0．329 2，即:

轉(zhuǎn)換回原指數(shù)形式，即可得到碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔軸向力Fz的試驗公式:

但是，上述回歸方程是否準確，還需要對各偏回歸系數(shù)b1、b2、b3進行顯著性檢驗。文中使用F檢驗法對各偏回歸系數(shù)和回歸方程進行檢驗，檢驗結(jié)果如表3所示。

表3 軸向力回歸模型方差分析

從回歸方程(5)中可以看出，主軸轉(zhuǎn)速n的指數(shù)b1=-0．072 8，銑刀中心每齒進給量St的指數(shù)b2=0．304 7，軸向切削深度ap的指數(shù)b3=0．329 2。其絕對值b3＞b2＞b1，說明軸向切削深度ap對軸向力Fz的影響最大，銑刀中心每齒進給量St其次，主軸轉(zhuǎn)速n的影響最小。而b1為負，說明主軸轉(zhuǎn)速n與軸向力Fz負相關(guān)，即隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，軸向力減小;b2和b3為正，說明銑刀中心每齒進給量St和軸向切削深度ap與軸向力Fz正相關(guān)，即隨著銑刀中心每齒進給量和軸向切削深度的增加，軸向力也隨之增加。因此，在碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔過程中采用高的主軸轉(zhuǎn)速、小的銑刀中心每齒進給量和小的軸向切削深度，有利于減小軸向力。

同樣，利用式(3)對平面切削力Fxy進行多元線性回歸，經(jīng)過SPSS回歸計算后得到各偏回歸系數(shù)的估計值:b0=3．718 3、b1=-0．045 7、b2=0．244 5、b3=0．146 8，即:

因此，碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔平面切削力Fxy的試驗公式:

對平面切削力Fxy回歸方程(7)以及各偏回歸系數(shù)b1、b2、b3進行F檢驗，檢驗結(jié)果如表4所示。從表中可以看出，各偏回歸系數(shù)和回歸方程都是十分顯著的(＊＊)。

表4 軸向力回歸模型方差分析

在平面切削力Fxy回歸方程(7)中，主軸轉(zhuǎn)速n的指數(shù)b1=-0．045 7，銑刀中心每齒進給量St的指數(shù)b2=0．244 5，軸向切削深度ap的指數(shù)b3=0．146 8。與軸向力的變化規(guī)律一樣，b1為負、b2和b3為正，因此，通過增加主軸轉(zhuǎn)速、減小銑刀中心每齒進給量并減小軸向切削深度，能夠獲得較小的平面切削力。但是，各切削參數(shù)對平面切削力的影響程度與軸向力不同，由于絕對值b2＞b3＞b1，故銑刀中心每齒進給量St對平面切削力Fxy的影響最大，軸向切削深度ap其次，主軸轉(zhuǎn)速n的影響最小。

2．2 加工質(zhì)量

在碳纖維復(fù)合材料傳統(tǒng)鉆孔中，常常在出口處產(chǎn)生撕裂、分層等加工缺陷，這將嚴重降低材料的強度和承載能力［13］。究其原因，主要是因為傳統(tǒng)鉆孔時軸向力較大，當鉆頭加工到底層材料時，未切削部分的厚度逐漸減小，強度也隨之下降，當軸向力超過復(fù)合材料層間結(jié)合強度時，將發(fā)生分層現(xiàn)象。

由前面分析可知，當主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min、銑刀中心每齒進給量St=0．06 mm/齒、軸向切削深度ap=0．5 mm/r時，軸向力Fz和平面切削力Fxy有最大值，對應(yīng)的加工孔入口、出口質(zhì)量如圖4所示。從圖中可以看出，在孔入口和出口處均有毛刺產(chǎn)生，但是沒有發(fā)現(xiàn)明顯的撕裂、分層等不可修復(fù)的加工缺陷。在螺旋銑孔過程中，銑刀側(cè)刃在切除材料的同時對已加工部分產(chǎn)生一個向上的分力［4］，如圖5所示。在孔入口處，由于已切削部分厚度較小，強度較低，對切削力產(chǎn)生缺陷的抵抗能力較差，從而導(dǎo)致毛刺現(xiàn)象的產(chǎn)生?？壮隹谌毕萃ǔＥc軸向力有直接的聯(lián)系，然而，螺旋銑孔由于其加工特點，能有效減小軸向力，因此孔出口質(zhì)量較好，只有少量的毛刺產(chǎn)生。

圖4 孔加工質(zhì)量

圖5 銑刀側(cè)刃產(chǎn)生的切削力

通常，金屬材料的毛刺強度較大，一旦形成，只能通過其它工藝將其去除。但是，碳纖維復(fù)合材料孔周圍毛刺極易折斷，導(dǎo)致孔與孔之間的毛刺高度沒有明顯規(guī)律，而在實際加工中，毛刺根厚度更難去除，需要的成本更高。不同切削參數(shù)下毛刺根厚度變化如圖6所示，從圖中可以看出，當軸向切削深度ap一定時，毛刺根厚度基本保持不變，因此推斷碳纖維復(fù)合材料入口毛刺根厚度主要受到軸向切削深度的影響。

圖6 毛刺根厚度變化曲線

取相同軸向切削深度下毛刺根厚度的平均值，并結(jié)合軸向切削深度分析，探討兩者之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，毛刺根厚度與軸向切削深度近似于二次函數(shù)的關(guān)系，擬合結(jié)果為:

式中:l表示軸向切削深度ap時的毛刺根厚度，相關(guān)系數(shù)為0．969 16，說明擬合曲線與實際情況十分相符。

圖7 毛刺根厚度與軸向切削深度的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

(1)通過對加工過程中的切削力進行監(jiān)測，得到不同切削參數(shù)下的軸向力Fz和平面切削力Fxy，并結(jié)合指數(shù)形式的切削力經(jīng)驗公式，推導(dǎo)出關(guān)于主軸轉(zhuǎn)速n、銑刀中心每齒進給量St和軸向切削深度ap的軸向力Fz和平面切削力Fxy經(jīng)驗公式。

(2)對碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔下入口和出口質(zhì)量進行分析，發(fā)現(xiàn)主要加工缺陷是孔入口處的毛刺現(xiàn)象，入口和出口附近均沒有明顯的撕裂缺陷。

(3)通過探討不同加工參數(shù)下孔入口處毛刺根厚度情況，發(fā)現(xiàn)其主要受到軸向切削深度的影響，并推導(dǎo)出兩者之間的函數(shù)關(guān)系式，從而對實際加工有一定的指導(dǎo)作用。

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