趙紅連

（核工業(yè)理化工程研究院，天津300180）

0 引言

碳纖維復合材料（CFRP）具有比強度、比剛度高及耐疲勞性能好，可顯著降低工件的重量，隨著材料性能及工藝水平的提高，在航天、航空、軍事等方面的應用日益廣泛，其最主要的機械加工方法為孔的加工，而對于碳纖維復合材料薄壁圓筒的外圓車削加工目前國內(nèi)外還尚未涉及。

研究的碳纖維復合材料薄壁圓筒是碳纖維加膠纏繞而成，厚度約為1mm，直徑為150mm，長為800mm，設計要求在外圓局部進行減薄加工，為保證高的加工精度要求，工藝設計應用數(shù)控車削的加工方法達到成型技術要求。薄壁碳纖維復合材料的結(jié)構(gòu)特性在車削加工中存在的不足及加工中易出現(xiàn)的問題如下：碳纖維加膠纏繞而成的工件材料層間強度低、各向異性、硬度高、脆性大，加工中易出現(xiàn)分層、起毛和拉絲等缺陷；工件筒體壁薄、自身剛度低、定位裝夾難度大，加工過程中絲線切斷后纏繞預應力和已切除材料殘余應力的釋放、刀具以及裝夾等因素的綜合影響，導致加工變形、回彈現(xiàn)象嚴重，加工精度低，達不到使用要求；碳纖維復合材料導熱性差，在車削加工過程中刀具與碳復合材料產(chǎn)生大量的摩擦熱，熱量難以在加工中排除，切削溫度高，易引起加工熱變形，切削加工性能差，對加工過程中的各種影響因素極為敏感［1］，高的加工精度很難保證。

針對加工中出現(xiàn)的上述問題，開展了多方案碳纖維薄壁圓筒的加工工藝研究與試驗，研究以解決加工中出現(xiàn)分層、起毛和拉絲等缺陷，以減小切削顫振、裝夾和加工變形，提高加工精度，達到設計要求為目的，確定該種工件的加工工藝技術參數(shù)，滿足生產(chǎn)需求。

1 碳纖維薄壁圓筒的加工特性

碳纖維薄壁圓筒是由碳纖維加膠纏繞而成，其絲線的纏繞角度在層間分布制度不同，碳纖維圓筒絲線纏繞角度放大如圖1所示。層間厚度僅為0.2 mm，其不同的鋪層制度給外圓的車削加工帶來很大的加工難度：在外圓車削加工過程中刀具與碳纖維的纏繞方向形成順切、逆切或成角度切削，3種切削方式混合進行，無法用加工方法的調(diào)整來解決。車削加工中，機床、刀具、夾具和工件共同組成一個切削過程動力學系統(tǒng)，切削力、加工變形、振動和顫振等動力學現(xiàn)象成為決定加工質(zhì)量的關鍵因素。由于層間強度低，工件壁薄在加工中易產(chǎn)生切削顫振，導致分層、起毛和拉絲等問題。

圖1 碳纖維圓筒絲線纏繞角度放大

2 車削顫振對工件的影響

根據(jù)碳纖維薄壁圓筒的結(jié)構(gòu)特性和纏繞特性，工件沿軸向和徑向剛性較弱，在切削力的作用下會產(chǎn)生振動響應，由于工件外圓表面粗糙，加工開始，沿進給方向產(chǎn)生的振動會在工件表面上留下振紋，從第2圈開始，加工表面的內(nèi)外表面均存在振紋，外表面的振紋是前一轉(zhuǎn)切削留下的，內(nèi)表面的振紋是當前切削留下的，對于不同角度的鋪層制度纏繞而成碳纖維薄壁圓筒，振幅更大，實際的切削厚度不再是常數(shù)，偏離理想切削厚度h較大，碳纖維圓筒車削振動模型如圖2所示，由于碳纖維纏繞而成的圓筒切削加工時直接將絲線切斷，切削的厚度呈不規(guī)則變化，當偏離值散差至極點時引起車削加工起毛現(xiàn)象。碳纖維切削本身的斷續(xù)性和不連續(xù)性所激起的強迫振動和加工系統(tǒng)本身特性所激起的自激振動是影響碳纖維薄壁筒加工的主要因素。因此，應當盡力避免出現(xiàn)切削剛性系統(tǒng)和工件車削的振動，提高加工精度。

圖2 碳纖維圓筒車削振動模型

3 專用夾緊裝置的設計

為了減小切削剛性系統(tǒng)引起的切削顫振，解決加工中出現(xiàn)的起毛拉絲問題，同時考慮工件兩端面位置度和加工精度要求，裝夾和加工變形難于控制等，工藝研究使用高精度數(shù)控車床，設計專用夾緊裝置以滿足工藝設計要求。碳纖維薄壁筒專用夾緊裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，裝置設計為2個相同的漲緊組件，安裝在同一主軸上，兩端分別將工件漲緊，為軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，主軸兩端設計有高精度帶護錐中心孔，加工時使用兩中心頂尖，可以提高工件的定位精度。

圖3 碳纖維薄壁筒專用夾緊裝置結(jié)構(gòu)

裝置的設計為剛性定位，柔性夾緊，通過脹緊力的調(diào)節(jié)，有效地減小裝夾變形和切削振動，提高加工精度。同時裝置的設計實現(xiàn)了一次裝夾同時車削工件兩端外圓和端面，解決了工件兩端平行度和垂直度超差的問題，提高了各加工部位形位精度。

4 切削刀具的研究

在切削碳纖維復合材料時，碳纖維有的是在拉伸作用下切除的，有的是在剪切彎曲聯(lián)合作用下切除的。由于纖維的抗拉強度較高，要切斷需要較大的切削功率，加之粗糙的纖維斷面與刀具的摩擦嚴重，生成了大量的切削熱，CFRP的熱導率k又比金屬要低1～2個數(shù)量級，切削區(qū)的溫度較高且集中于刀具切削刃附近很窄區(qū)域內(nèi)，纖維的彈性恢復及粉末狀的切屑又劇烈地擦傷切削刃和后刀面，在切削加工中，切削力的大小將直接影響薄壁筒類零件的變形［2］。因此，可選擇合理的刀具參數(shù)來減少切削力。由于工件剛性差，對振動非常敏感，車刀的幾何形狀和角度選擇尤為關鍵。選擇時應考慮以下幾點：為減少工件的彎曲變形，車刀的主偏角應加大，以減少徑向切削分力；為減少切削力，選擇大前角；車刀安裝，略高于工件軸線，使車刀后面與工件輕微接觸，以增加切削的平穩(wěn)性［3］。

為了滿足刀具重復定位精度要求和裝夾使用方便，選用標準的適于數(shù)控車床的可轉(zhuǎn)位機夾車刀，螺釘緊固型的刀片夾緊形式。根據(jù)加工經(jīng)驗及碳纖維薄壁轉(zhuǎn)筒的材料及結(jié)構(gòu)特性，通過刀具切削試驗，確定選用的刀具參數(shù)如表1所示。

表1 刀具幾何形狀參數(shù)

5 切削參數(shù)試驗

碳纖維復合材料屬于各向異性材料，強度和硬度高，層間不同的鋪層制度，加工過程中極易出現(xiàn)分層、拉絲、起毛等缺陷，嚴重影響加工質(zhì)量和合格率，又由于工件為大直徑薄壁，車削力和車削熱引起的變形對工件加工精度影響很敏感。因此，必須進行系統(tǒng)的切削實驗以選擇合理的切削參數(shù)，保證加工質(zhì)量。

因切削速度v、進給速度f、切削深度ap因素在整個試驗過程中是可控制的，故選擇其作為本次試驗的可控因素。試驗以每個可控因素都為三水平的正交試驗［4］，每次試驗結(jié)果重復測量3次，取其平均值，試驗以外圓表面質(zhì)量（分層、拉絲、起毛和表面粗糙度）、外圓尺寸散差值和圓度值作為質(zhì)量特征［5］，評價切削參數(shù)。試驗參數(shù)設計方案及試驗結(jié)果如表2、表3所示。

表2 加工工藝參數(shù)水平設計

從表3試驗結(jié)果可知，試驗編號2和試驗編號7試驗方案中外圓表面質(zhì)量均達到最好，外圓尺寸散差相當，而試驗編號2中外圓圓度明顯好于試驗編號7，試驗結(jié)果符合切削經(jīng)驗值，確定試驗編號2切削參數(shù)組合為最優(yōu)組合，即切削速度v＝30m／min，切削深度ap＝0.03mm，進給速度f＝0.06 mm／r。

表3 正交切削表及試驗結(jié)果

6 試驗驗證

為了保證工件的加工質(zhì)量，需要通過驗證切削實驗來檢查參數(shù)設計中最優(yōu)切削參數(shù)組合的合理性，為此安排了60件工件進行切削驗證，將各質(zhì)量特征評價標準取其平均值，實驗結(jié)果如下：外圓表面沒有出現(xiàn)分層拉絲起毛現(xiàn)象，表面粗糙度為2.31 μm，外圓尺寸散差值0.07mm，外圓圓度值0.08 mm，三項技術質(zhì)量特征均滿足工藝設計要求。由此可見，由參數(shù)設計確定的切削速度v＝30m／min；切削深度ap＝0.03mm；進給速度f＝0.06mm／r，切削參數(shù)組合方案是最優(yōu)的，在生產(chǎn)中得到了很好的應用。

7 結(jié)束語

通過碳纖維復合材料薄壁圓筒加工工藝技術研究與試驗，研制專用定位裝夾裝置，解決了由加工顫振引起的分層拉絲起毛問題和工件兩端平行度和垂直度超差的問題，同時有效減小了薄壁長筒類件裝夾變形，滿足了工藝設計要求。

通過切削刀具的研究分析，確定了刀具幾何形狀的選用標準，采用正交實驗方法進行切削參數(shù)試驗，得出車削薄壁碳纖維圓筒的最優(yōu)切削參數(shù)組合，解決了加工中出現(xiàn)拉絲起毛的問題，有效減小了加工變形，保證了加工精度。

研究的該種碳纖維復合材料薄壁圓筒高精度車削的加工工藝方法，已成功應用到生產(chǎn)中，取得了顯著效果，同時該種加工工藝方法可以推廣應用到復合材料的車削加工制造領域。

［1］ 周澤華.金屬切削原理［M］.上海：上海科學技術出版社，1992.

［2］ 機械加工工藝手冊，第2卷.加工技術卷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［3］ 袁哲俊，劉華明.刀具設計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社1999.

［4］ 朱紅兵.應用統(tǒng)計與SPSS應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［5］ Dauglasc，Montgomery.實驗設計與分析［M］.汪仁官，陳榮昭，譯.北京：中國統(tǒng)計出版社，1998.