魏仕華

（泰州職業(yè)技術(shù)學院 機電技術(shù)學院，泰州 201114）

0 引言

芳綸具有密度低、耐腐蝕、耐沖擊、阻燃等特性，在飛機復合材料結(jié)構(gòu)中，一般芳綸與碳纖維配合使用，在實現(xiàn)減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下，對易磨損和易碰撞等功能性強的復合材料部件實施外表面的防護作用。其大量應用于飛機結(jié)構(gòu)的次承力結(jié)構(gòu)件，如機艙門、整流罩、艙壁等[1]。芳綸纖維增強復合材料（KFRP）構(gòu)件切削加工過程中，由于其構(gòu)件層壓板的層間剪切強度低，纖維與基體的粘接強度遠低于纖維的抗拉伸強度，這些給加工帶來了很大的困難，而且在加工中容易產(chǎn)基體燒蝕，纖維斷裂以及切面分層、表面粗糙等表面缺陷。國內(nèi)外學者在復合材料切削機理[2]、刀具材料結(jié)構(gòu)[3]、特種加工、制孔工藝等領(lǐng)域，對如何提高復合材料工件表面質(zhì)量、提高刀具壽命和切削性能、優(yōu)化切削參數(shù)等方面進行了深入的研究[4,5]，并且對加工表面質(zhì)量控制及其表征技術(shù)[6～9]，提出了諸如三維形貌表征等理論方法。

本文從生產(chǎn)實際出發(fā)，通過生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵影響因素，以及質(zhì)量控制因素，通過設計全因子試驗，研究了芳綸纖維復合材料構(gòu)件切邊工藝過程中，刀具種類、切削速度、進給速度等因素對其加工表面質(zhì)量的影響。

1 試驗因子分析及試驗設計

本文以某型號飛機某芳綸復合材料構(gòu)件為研究背景，在切削加工過程中，刀具種類、切削速度、進給速度為實際生產(chǎn)中最為關(guān)注的控制參數(shù)，且基于質(zhì)量控制的要求，切邊需要沒有纖維斷裂、分層、沒有基體燒蝕以及表面粗糙度需要達到一定的要求，在生產(chǎn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)基本上有纖維斷裂的產(chǎn)品其附近區(qū)域出現(xiàn)分層的結(jié)構(gòu)缺陷概率超過95%。為減少試驗次數(shù)和成本，我們將纖維斷裂和分層作為同一影響因子進行分析。基于此，本試驗將選取刀具種類、切削速度以及進給速度為影響因子，以加工切面是否有基體燒蝕，纖維是否斷裂、以及表面粗糙度為響應特性進行研究。根據(jù)全因子試驗的要求，對3因子3水平的樣本研究需要進行27次全因子試驗，本文試驗中影響因子與其編碼水平如表1所示。

表1 影響因子的編碼水平

2 試驗過程

2.1 試片準備

1）材料：KVALAR芳綸纖維增強HexPly914環(huán)氧樹脂增強預侵料。

2）試片工藝設計：根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品工藝，采用90交叉鋪層10層預侵料，上下表面鋪上鋁膜。最終試片如圖1所示。

圖1 成型試片

3）固化工藝： 175oC固化溫度，7BAR真空壓力固化1小時，然后190oC二次固化4小時。

2.2 試驗機床及刀具

1）機床：CMS ARES高速加工中心。

2）刀具種類及幾何參數(shù)：根據(jù)市場主流刀具供應商推薦的復合材料加工刀具及其推薦工藝參數(shù)，選用如下刀具參數(shù)，如表2所示。

2.3 試驗流程及過程描述

為減少測量系統(tǒng)誤差，所有試片制作、切割和測量分別由同一工藝人員在同一設備中完成，為了方便數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，按照如下流程進行試驗。

1）試片編碼：針對全因子試驗安排，對試片進行編碼。

2）試片切割：按全因子試驗參數(shù)進行機床工藝參數(shù)設置、刀具選擇，然后安裝試片進行切割。

表2 刀具種類及主要幾何參數(shù)

表3 全因子試驗計劃表及試驗結(jié)果

3）試片測量：對切面燒蝕和纖維斷裂使用顯微鏡進行觀測判斷，對切面粗糙度測量使用三維光學測量儀。

4）數(shù)據(jù)收集、整理。

3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)如上的試驗過程所得到的全因子試驗結(jié)果如表3所示，在這里需要說明的是對切面燒蝕和纖維斷裂的判斷，如圖2所示，在顯微鏡下有明顯的纖維斷裂；如圖3所示，切面因燒蝕不能很清楚的看到纖維切層。如圖4所示，纖維切層及基體切層界限清晰，無纖維斷裂和基體燒蝕現(xiàn)象。

圖2 纖維斷裂(K10, Speed=54m/Min, Feed=2500mm/Min)

圖3 切面燒蝕(PCBN, Speed=60m/Min, Feed=2500mm/Min)

圖4 無缺陷曲面(PCD, Speed=60m/Min, Feed=1500mm/Min)

3.1 切削速度和進給量對加工表面質(zhì)量的影響分析

1）切削速度和進給量對切面粗糙度的影響分析

從圖5中可以看出機床的切削速度和進給速度都對切面粗糙度影響較大：隨著切削速度的增加，復合材料被加工表面的粗糙度減??；隨著進給速度的提高，被加工表面的粗糙度有明顯的提升。

圖5 切削速度和進給速度對表面粗糙度的影響

使用ANOVA的統(tǒng)計方法得出的結(jié)論如表4所示，切削速度(Vf)和進給速度(f)項P=0小于顯著性水平0.05，故這兩個因子對粗糙度有顯著影響。同理從交叉項P＝0.331大于顯著性水平0.05，故該交叉項對粗糙度影響不顯著。

表4 ANOVA方法分析切削速度和進給速度對表面粗糙度的影響

2）切削速度對表切面燒蝕和纖維斷裂的影響分析

如圖6中所示出，當切削速度處于低水平時（小于54m/Min），切削速度對切面燒蝕和纖維斷裂沒有明顯的影響；當速度處于高水平時（大于54m/Min），切削速度對切面燒蝕和纖維斷裂有顯著性的影響，并且隨著切削速度的增加，出現(xiàn)切面燒蝕和纖維斷裂缺陷的概率明顯增加，且切面的燒蝕增加更明顯。

圖6 切削速度對切面燒蝕和纖維斷裂的影響

3）進給速度對表切面燒蝕和纖維斷裂的影響分析

如圖7中所示出，當進給速度處于低水平時（小于2000m/Min），隨著進給速度的增加，出現(xiàn)切面燒蝕的概率呈減少趨勢，但影響不是很明顯，而對纖維斷裂基本沒有影響；當進給速度處于高水平時（大于2000m/Min），其對切面燒蝕和纖維斷裂有顯著性的影響，且隨著進給速度的增加，出現(xiàn)切面燒蝕和纖維斷裂缺陷的概率明顯增加。

圖7 進給速度對切面燒蝕和纖維斷裂的影響

3.2 刀具種類對切面質(zhì)量的影響分析

1）刀具種類對表面粗糙度的影響分析

從圖8所示趨勢以及表5中顯著性影響因子P=0.672大于顯著性水平0.05可以看出，刀具種類對粗糙度有影響，但是影響不是很顯著。另外，硬質(zhì)合金刀具（K10）與立方氮化硼（PCBN）對表面粗糙度的影響，相比較與立方氮化硼（PCBN）與人造金剛石（PCD）刀具與硬質(zhì)合金刀具改變對表面粗糙度的影響要大，從表2中可知，3種刀具除了材料上的差別外，刀具幾何參數(shù)在刀尖圓弧半徑和刃傾角上有差別。類比分析，表面粗糙度對刀具幾何參數(shù)相比刀具材料更敏感，并且隨著刀尖圓弧半徑和刃傾角的增加，切面表面粗糙度降低。

圖8 刀具種類對表面粗糙度的影響

表5 ANOVA方法分析刀具種類對表面粗糙度影響

2）刀具種類對切面燒蝕和纖維斷裂影響分析

如圖9中所示出，刀具種類對纖維斷裂缺陷影響明顯，對切面燒蝕缺陷影響不明顯，但人造金剛石（PCD）刀具引起的纖維斷裂和切面燒蝕缺陷概率明顯小于硬質(zhì)合金刀具引起的缺陷概率。對于纖維斷裂缺陷的影響，相比較于硬質(zhì)合金刀具，因人造金剛石（PCD）刀具的硬度很高，其切削刃能夠磨的很鋒利，有利于切斷纖維，故使用金剛石刀具有利于減少纖維斷裂缺陷。

圖9 刀具種類對切面燒蝕和纖維斷裂的影響

4 試驗結(jié)論

基于以上對芳綸纖維增強復合材料構(gòu)件切削加工中刀具種類，切削速度，進給速度對切面質(zhì)量的試驗分析，以切面燒蝕、纖維斷裂以及表面粗糙度表征切面質(zhì)量，我們有如下結(jié)論：

1）切削速度和進給量對芳綸復合材料構(gòu)件加工切面有顯著影響：隨著切削速度的增加，復合材料被加工表面的粗糙度減小，當速度達到一定水平時，其產(chǎn)生切面燒蝕和纖維斷裂缺陷的概率增大；隨著進給速度的提高，被加工表面的粗糙度有明顯的提升，當進給速度達到一定水平時，其產(chǎn)生切面燒蝕和纖維斷裂缺陷的概率增加。

2）刀具材料對表面粗糙度影響不明顯，但刀具幾何參數(shù)對表面粗糙度影響較大，且隨著刀尖圓弧半徑和刃傾角的增加，切面表面粗糙度降低。刀具種類對纖維斷裂缺陷影響明顯，對切面燒蝕缺陷影響不明顯。

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