段春爭，李朋欣

(大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

碳纖維增強復合材料(CFRP)具有密度小、比強度高、比模量高、抗震性能好等優(yōu)點，已廣泛應用在軍事及民用工業(yè)的各個領域，是近些年來發(fā)展較快的一種材料[1-2]。但由于其高硬度、非均質及各向異性等特點，嚴重制約了材料的高效加工。切削力對計算功率消耗，機床、夾具、刀具的設計，切削用量的制定，刀具幾何參數的優(yōu)化，都具有重要的意義。小的切削力能夠降低切削溫度、機床功率消耗、工件振動和零件變形，從而提高加工質量，還能保證較長的刀具壽命。Sorrentino等人[3]采用H1UTi20T刀具進行了CFRP銑削試驗，發(fā)現軸向力Fz隨進給速度、徑向切深和軸向切深的增加而增加。Merino Perez J L[4]選用涂層和WC-Co刀具進行CFRP切削力試驗，發(fā)現與其它切削參數相比，切削力隨切削速度的增加變化更快。吳紅等[5]選用硬質合金刀具銑削CFRP，結果表明銑削力隨轉速和進給速度的增大而增大，其中進給速度對銑削力影響更大。Rawat[6]采用硬質合金刀具進行鉆削試驗發(fā)現，軸向力隨著進給速度的增加而增加，并與切削參數之間存在非線性的關系。

目前國內外對CFRP銑削力已做了許多研究，但仍存在一些不足。大部分研究集中在銑削參數對銑削力的影響，對不同刀具的適用范圍并沒做系統(tǒng)的研究。因此，文本選擇金屬陶瓷(NX2525)、硬質合金(HTi10)與涂層(VP15TF)三種刀具進行CFRP銑削對比試驗，分析不同刀具的銑削力隨銑削參數的變化規(guī)律，建立了不同刀具的銑削力經驗公式，從而實現銑削加工前銑削力的預測和控制。本文的研究對CFRP銑削過程中工藝參數及刀具材料的選擇，減小刀具磨損，改善加工表面質量具有重要的參考作用。

1 銑削力經驗公式模型

由金屬切削原理可知，切削力與切削參數之間存在一定的指數關系，且經驗公式的標準形式為：

(1)

其中,F為切削力；C為與加工材料及切削條件的相關系數；n為轉速，r/min；vf為進給速度，mm/min；ap為軸向切深，mm；ae為徑向切深，mm；a1、a2、a3、a4分別為指數。

本文根據式(1)建立CFRP銑削力經驗公式，由于ap=2mm、ae=2mm為固定值，轉速與進給速度為變量，所以可以將式(1)簡化為：

(2)

對式(2)等號兩端分別取對數，得：

lgF=lgC1+a1lgn+a2lgvf

令y=lgF，a0=lgC1，x1=lgn，x2=lgvf，則y=a0+a1x1+a2x2

2 試驗條件與方案

2.1 試驗條件

本次試驗選用東昱精機CMV-859A數控銑床；采用YDCB-III05型三向壓電石英測力儀對銑削力進行測量，采集的數據經YE5850電荷放大器處理后，再經INV3018A型數據采集分析儀進行A/D轉換，然后傳輸到電腦上，最后經DSAP V10.01數據處理系統(tǒng)進行數據處理，得到銑削力大小。

試驗材料選用的是T700單向碳纖維層合板，尺寸規(guī)格為200×120×5mm；試驗選用機夾式刀具，刀桿型號為BAP300R，兩刃，直徑為φ17mm；刀片型號為APMT1135PDER-H2，選用三菱公司生產的NX2525金屬陶瓷、VP15TF涂層、HTi10硬質合金刀片。采用干切順銑的加工方式。

2.2 試驗方案

通過參考文獻[3-4,6]及結合實際的加工條件，選用的試驗參數如表1，試驗采用全因素法得到12種不同的切削參數組合，進給方向沿纖維方向。

表1 銑削參數

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

圖1為CFRP銑削加工示意圖。其中fz為每刀齒進給量，n為轉速。由于在銑削的過程中，銑削分力Fy要遠大于Fx，因此定義Fy為主銑削力，本文主要研究主銑削力Fy的變化規(guī)律。試驗結果如表2。

圖1 CFRP銑削加工示意圖

轉速(r/min)進給速度(mm/min)主銑削力Fy(N)HTi10VP15TFNX25251000200256．7174．9163．11000400289．6200．3263．21000600309225．9300．52000200192．8125．4139．22000400235．6185．4199．32000600276．2204274．33000200150．9102．4123．33000400175．5157．2181．53000600216194．5222．64000200131．293．9141．34000400150．5147．7184．94000600192．5183．3241．1

3.2 結果分析

將表2中的數據畫成圖2，從圖2中可以看出，在轉速1000～2000r/min、進給速度200～600mm/min的銑削參數范圍內：

Fy,HTi10>Fy,NX2525>Fy,VP15TF

其中,Fy,HTi10、Fy,NX2525、Fy,VP15TF分別為HTi10、NX2525、VP15TF刀具的主銑削力。

當轉速為3000r/min時，在200～400mm/min的進給速度范圍內：

Fy,HTi10>Fy,NX2525>Fy,VP15TF

當轉速為3000r/min時，在400～600mm/min的進給速度范圍內：

Fy,NX2525>Fy,HTi10>Fy,VP15TF

在轉速為4000r/min、進給速度為200～600mm/min的銑削參數范圍內：

Fy,NX2525>Fy,HTi10>Fy,VP15TF

隨著轉速的增加，HTi10與VP15TF刀具之間主銑削力的差值越來越小。

圖2 銑削參數對不同刀具主銑削力的影響

VP15TF刀具的涂層材料為(Al,Ti)N，具有較高的耐熱性、結合強度與耐磨性，與工件之間的親和力低，低的摩擦系數能夠降低切削力及切削溫度，涂層刀具兼具涂層與基體兩者的優(yōu)點，在銑削過程中能夠保證較低的主銑削力[6-7]。NX2525刀具具有較高的硬度，高速切削鋼料的時候磨損率極低，耐磨性比鎢鈷類硬質合金高3～4倍，在加工CFRP的時候，刀具與切屑、工件接觸面上會形成氧化鈦薄膜，可以作為干潤滑劑減小摩擦，在速度較低時，主銑削力低于HTi10刀具[8]；但隨著轉速的增加，整個工藝系統(tǒng)振動加劇，NX2525刀具對振動比較敏感，導致主銑削力高于其他兩種刀具；此外NX2525相對于HTi10刀具具有高的熱膨脹系數與低的導熱系數，切削刃附近溫度高，刀具容易發(fā)生磨損，所以NX2525刀具在高速時主銑削力較大。VP15TF刀具在試驗參數范圍內，能夠保證較小的主銑削力；在低于2000r/min的轉速的情況下，HTi10刀具的主銑削力高于NX2525刀具，當轉速高于3000r/min時，NX2525刀具的主銑削力逐漸高于HTi10刀具。

3.3 銑削力經驗公式的建立

在銑削力經驗公式建立之前，首先對三種刀具的轉速與進給速度進行無重復雙因素方差分析，分析轉速與進給速度對刀具主銑削力影響的顯著程度，其方差分析的結果見表3，其中表中的F值是在顯著水平的條件下得到，通過查F分布表得臨界值F0.05(2,6)=5.14，F0.05(3,6)=4.76，然后對比表中F值與臨界F0.05值，能夠得出轉速與進給速度影響的顯著性水平。

表3 主銑削力影響因素方差分析

通過對比表3中的F值與臨界F0.05值，得出F值均大于其相對應的臨界F0.05值，所以三種刀具的轉速與進給速度對主銑削力均顯著性影響，其中HTi10刀具的轉速影響顯著性大于進給速度，而VP15TF和 NX2525刀具的進給速度影響顯著性大于轉速。為了更好的表征主銑削力隨銑削參數的變化規(guī)律，建立不同刀具主銑削力和銑削參數之間的多元回歸模型。擬合公式之前，首先需將各參數與主銑削力轉化為對數值，再將所得數據進行多元線性回歸分析，經擬合得到的經驗公式為：

(3)

(4)

(5)

其中為判斷回歸擬合的系數，越接近1，表明公式擬合的效果越好，預測的力也就越準確。由于三個公式中的均高于0.9，說明建立的經驗公式能夠較準確預測銑削力的大小。經典切削力經驗公式的標準形式不僅適用于金屬切削力經驗公式的建立，同樣適用于CFRP銑削力經驗公式的建立。

從公式(3)～公式(5)中可以看出，三種刀具的主銑削力均隨轉速的增大而減小，隨進給速度的增大而增大。主銑削力隨轉速的增大而減小，當進給速度相同時，高轉速下每刀齒的切削區(qū)域減小，主銑削力減?。桓咿D速下切削速度較高，高的切削速度又會使切削慣性力增大，從而使切削力降低；樹脂基體的導熱性比較差，隨著銑削速度的升高，銑削溫度會不斷升高，造成樹脂基體不斷軟化，能夠降低主銑削力；樹脂軟化后會粘附在前刀面，導致刀具前角增大，降低銑削力；此外隨著轉速的提高，材料表面的破碎率會逐漸增大，刀具與工件表面的摩擦面積減小，后刀面與工件表面的平均摩擦系數也會逐漸減小，也將降低主銑削力[9-10]。主銑削力隨進給速度的增大而增大，這是因為隨進給速度的增加，單位時間內刀具切削量增大，每齒的最大切削厚度與切削面積增加，使變形抗力與后刀面摩擦力增大，從而導致主銑削力增加。

經對比分析公式(3)～公式(5)中的指數大小與方差分析結果，使用兩種方式得出的轉速與進給速度的影響程度一致，其中HTi10刀具的轉速影響程度高于進給速度，而VP15TF刀具和NX2525刀具的進給速度影響程度高于轉速，從側面也能反映出經驗公式的準確性。

4 結論

CFRP屬于難加工材料，減小銑削力能夠提高加工質量和減小刀具磨損。因此本文采用HTi10、VP15TF和NX2525刀具進行CFRP銑削試驗，為CFRP加工刀具材料及銑削參數的選擇提供參考。本文主要得到以下結論：

(1)在試驗參數范圍內，由于VP15TF刀具的(Al,Ti)N涂層與工件之間的親和力較低，摩擦系數小，主銑削力最小，VP15TF刀具最適合CFRP的銑削加工。

NX2525刀具與切屑、工件接觸面上會形成氧化鈦薄膜，作為干潤滑劑減小摩擦，在速度較低時，主銑削力低于HTi10刀具；由于NX2525刀具脆性較大，對振動最敏感，當轉速高于3000r/min時，整個工藝系統(tǒng)振動加劇，此外NX2525刀具的導熱系數較低，容易發(fā)生熱疲勞破壞，導致NX2525刀具主銑削力最大。

(2)建立了三種刀具的主銑削力經驗公式，并結合方差分析可得，銑削CFRP時，HTi10刀具轉速對主銑削力的影響程度高于進給速度，而VP15TF和NX2525刀具進給速度對主銑削力的影響程度高于轉速。

(3)銑削參數對HTi10、VP15TF、NX2525三種刀具的主銑削力影響規(guī)律基本一致，轉速越高，每個刀齒的去除區(qū)域減小，材料破碎率增大，摩擦減小，導致主銑削力越??；進給速度越大，切削面積增大，變形抗力和摩擦力增大，主銑削力增加。因此在CFRP銑削過程中，為減小銑削力，宜采用高轉速、低進給速度。

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