上海飛機制造有限公司航空制造技術研究所先進復合材料制造中心 龔佑宏 韓 舒 楊霓虹

南 京 航 空 航 天 大 學 機 電 學 院 韓勝超 周井文 陳 燕

隨著碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）性能的不斷提高，其在飛機結構上的應用也越來越廣泛。由于CFRP導電性能比金屬差，當飛機遭到雷擊時，難以將高能量的電流傳導出去，從而導致大能量的聚集，破壞材料結構進而影響飛機的安全性能，因此必須對飛機復合材料部件進行有效的雷擊防護[1]。

表面銅網結構CFRP是一種新型防雷擊材料，它將表面膠膜和導電金屬網結合為一體，使用中將其鋪設在有防雷擊要求的CFRP外表面，通過導電金屬網將雷擊電流傳遞到機體放電部位即可達到良好雷擊防護效果。目前，CFRP制件的成形主要運用近凈成形技術，但為了裝配等需要成形后仍需進行2次機械加工，如銑邊、鉆孔等[2]。由于CFRP屬于非金屬材料，銅網結構中金屬材料的加入一定程度上改變了其切削加工性能。國內外學者已在CFRP切削性能方面做了一些研究，但對此種新型表面銅網CFRP的切削加工性能研究卻非常有限。Redouane Zitoune等研究了表面銅網結構CFRP的鉆削加工性能，發(fā)現相比于普通CFRP，表面銅網結構CFRP更不易產生分層缺陷[3]。

為了探究表面銅網結構CFRP的銑削加工性能，設計并進行了一組兩因素三水平的全因素試驗，通過試驗得到了主軸轉速和進給速度對切削力和切削質量的影響規(guī)律，對刀具的磨損形式進行了分析。

1 試驗方案

試驗在DMG HSC 20 linear超聲輔助五軸精密加工中心上進行，該機床最大主軸轉速42000r/min，最大進給速度5m/min。試驗用表面銅網結構CFRP和金剛石涂層硬質合金立銑刀如圖1所示，CFRP的性能參數見表1。測力系統(tǒng)為Kistler 9272測力計和5070A電荷放大器，加工表面粗糙度測量采用Mahr M1型便攜式粗糙度測量儀，測量方向為材料的厚度方向。試驗系統(tǒng)搭建如圖2所示，工件裝夾如圖3所示。

圖1 表面銅網結構CFRP試驗件和加工用立銑刀Fig.1 CFRP with copper mesh and tools

表1 CFRP層合板的規(guī)格和參數

試驗模擬生產中的銑邊加工、銑削方式為順銑。切削參數中，軸向切深ap定為CFRP的材料厚度，考慮到CFRP的銑邊操作多屬于精加工，材料去除量較少，因此其徑向切深ae定為1mm。為探究主軸轉速和進給速度對其加工質量的影響，設計了1組兩因素三水平的全因素試驗。試驗因素水平表如表2所示。

圖2 試驗加工和檢測系統(tǒng)Fig.2 Experimental Equipments

圖3 工件裝夾圖Fig.3 Fixation of the composites

表2 側銑性能全因素試驗水平因素表

2 試驗結果與分析

2.1 切削力分析

根據試驗數據得到的切削力隨切削參數變化趨勢，如圖4所示。由圖4可知，在主軸轉速12000r/min、進給速度2600mm/min以內，主切削力最大值隨轉速增大而減小，隨進給速度增大而增大，這與傳統(tǒng)金屬切削中切削力的變化規(guī)律相同。當轉速增大時，切削溫度增高導致樹脂軟化，使材料更容易切削，切削力隨之減小，轉速增大時材料和刀具之間的摩擦系數也會減小，從而進一步減小切削力。此外，從圖4還可看出，進給速度越大，其切削力隨轉速的變化幅度也越大，這是由于在相同的轉速改變量下，進給速度大的與對應的每齒進給量改變越大，每齒切削面積變化量也越大，故切削力的變化幅度也更大。

圖4 表面銅網結構CFRP切削力隨切削參數變化圖Fig.4 Variation of the cutting forces with spindle speed and feed speed

2.2 加工表面質量分析

通過目視觀察各參數下表面銅網結構CFRP的銑削加工表面，發(fā)現在部分參數下出現了毛刺和撕裂等缺陷，再通過掃描電子顯微鏡觀察得到其表面顯微照片，如圖5所示。從圖5可看出，不同參數下的銅網斷面都較為整齊，因此表面銅網結構的加入對CFRP銑削表面的加工質量沒有明顯影響。在構成CFRP加工表面的各向纖維層斷面中，45°纖維層破壞最為嚴重，隨機分布許多因纖維束折斷或拔出而形成的空洞。主軸轉速增大時，空洞的數量增加但深度變淺，且加工表面樹脂涂覆增多，這是由于高轉速時切削速度很大，45°纖維被快速擠壓并切斷，且每次切削的纖維量較少，變形量較小，導致形成的空洞多而淺。此外，高轉速導致切削液不能較好進入切削區(qū)域，引起散熱不良，樹脂軟化并涂覆在切口表面。然而隨著進給速度增大，散熱和排屑條件變得更好，加工表面樹脂涂覆也隨之減少，層間分界更加清晰。當進給速度增大時，45°纖維層的破壞也逐漸加重，空洞由淺而小變?yōu)樯疃鴱V，這是由于進給速度增大時刀具每齒切削的纖維數增多，纖維束變形量增大，故空洞加深變廣[4]。

圖5 不同參數下加工表面的電鏡照片Fig.5 SEM images of machined surfaces under different cutting parameters

圖6為加工表面粗糙度值隨切削參數的變化規(guī)律，其中3條曲線分別表示進給速度為1m/min、1.8m/min和2.6m/min 3種情況下加工表面粗糙度隨主軸轉速地變化趨勢。從圖中可看出，在試驗參數范圍內，加工表面粗糙度值隨著轉速增大呈減小趨勢，隨進給速度增大呈增大趨勢，這與電鏡照片中觀察到的加工表面形貌隨切削參數的變化規(guī)律相吻合。當主軸轉速高于8000r/min時，加工表面粗糙度值顯著降低并維持在一個相對穩(wěn)定的水平，此時主軸轉速對切口粗糙度值的影響減弱，進給速度決定了粗糙度值的大小，因此表面銅網結構CFRP的銑削加工表面粗糙度是受主軸轉速和進給速度的交互綜合影響的。

圖6 表面銅網結構CFRP加工表面粗糙度值隨切削參數變化規(guī)律Fig.6 Variation of the surface roughness with spindle speed and feed speed

通過試驗數據分析發(fā)現，毛刺缺陷的形成與每轉進給量的大小有密切關系。試驗參數中當每齒進給量大于0.033mm/z時，材料極易出現毛刺和撕裂；而低于這個值時，材料基本無毛刺與撕裂，這是由于每齒進給量決定了切削面積，而切削力的大小主要受切削面積的影響，當切削力大于材料基體對表層纖維的結合力時，毛刺撕裂等缺陷就很容易產生[5]。

由于銅有一定塑性，當銅網在上表面進行銑邊加工時，右旋刀具產生向上的軸向力將銅網拉離基體，導致銅網不易被切斷或在產生塑性變形后再被切斷，從而形成毛刺，造成質量缺陷。為抑制毛刺的產生，將銅網面置于下方進行加工，此時軸向力將銅網向CFRP基體側壓迫，能夠較好地切斷銅網結構，斷面整齊，無質量缺陷。

2.3 刀具磨損分析

由于碳纖維硬度很高，切削過程中形成的硬質粉末狀切屑對刀具有很強的磨損作用，因此生產中通常使用PCD刀具或者金剛石涂層刀具加工CFRP。通過三維視頻顯微鏡觀察使用后刀具的磨損情況如圖7所示。由圖7可見，刀具的磨損形式主要為涂層磨穿、基體磨鈍，且由于銅網結構質地較軟容易切削，對刀具的磨損作用比碳纖維小，因此在刀具上形成了非均勻磨損現象，即刀具切削碳纖維的部分磨損量較大，切削銅網部分磨損較小。初始切削時，金剛石涂層保護刀具刃口，磨損較為緩慢，隨著切削長度增加，涂層逐漸磨損變薄直至磨穿，此時硬質合金基體失去保護，刀具進入較快磨損階段。從圖7中可看到硬質合金基體上產生了明顯的溝狀磨痕，這是高硬度的碳纖維切屑和回彈的已加工面對刀具造成的磨料磨損。此外，由于金剛石涂層與硬質合金基體的熱脹系數不同，當刀具在切削熱的作用下發(fā)生熱脹時二者的變形量不同，從而使涂層與基體剝離，涂層在切削力的作用下最終破碎。

3 結 論

（1）銑削表面銅網結構CFRP的主切削力最大值隨轉速增大而減小，隨進給速度增大而增大。此外，進給速度越大，切削力隨轉速的變化幅度越大

（2）銅網結構的加入對CFRP加工表面質量沒有明顯影響。隨著轉速增大，45°纖維層上空洞數量增加，深度減小且表面樹脂涂覆逐漸增多；隨著進給速度增大，45°纖維層上的空洞變深變廣，樹脂涂覆減少，層間分界更加清晰，加工表面粗糙度值隨著轉速增大呈減小趨勢，隨進給速度增大呈增大趨勢。

（3）銅網結構與碳纖維對刀具的磨損作用不同，導致了刀具上非均勻磨損的出現。金剛石涂層硬質合金刀具銑削加工表面銅網結構CFRP時的磨損形式主要為涂層磨穿、基體磨鈍。

[1] 張元卿，劉興宇. 新型復合材料結構防雷擊膠膜性能驗證及運用. 科技創(chuàng)新導報，2012 (27): 41-42.

[2] 王巍，陳燕，牟娟，等. 釬焊金剛石工具磨削CFRP的試驗研究. 金剛石與磨料磨具工程，2012,32(1): 15-18.

[3] Zitoune R，El Mansori M，Krishnaraj V. Tribo-functional design of double cone drill implications in tool wear during drilling of copper mesh/CFRP/woven ply. Wear，2013.

[4] El-Hofy M H，Soo S L，Aspinwall D K. Factors affecting workpiece surface integrity in slotting of CFRP. Procedia Engineering，2011(19)：94-99.

[5] 李桂玉. 疊層復合材料鉆削加工缺陷產生機理及工藝參數優(yōu)化[D]. 山東:山東大學，2011.