蘇 飛 袁軍堂 汪振華 鄧朝暉 孫富建

(1 湖南科技大學智能制造研究院，湘潭 411201) (2 南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

0 引言

碳纖維增強復合材料(CFRP)具有比強度高、比模量大、可設計性強等優(yōu)良特性，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應用[1-3]。由于CFRP的層間剪切和橫向抗拉性能低，在機械加工過程中，碳纖維復合材料制品易產(chǎn)生毛刺、撕裂和層間分層等加工缺陷[4-5]。在碳纖維復合材料銑削加工方面，國內(nèi)外專家學者做了較多研究。WOLF GANG等[6-7]研究了單向疊層CFRP不同纖維取向下銑削加工缺陷，獲得了缺陷的發(fā)生區(qū)、擴散區(qū)和無擴散區(qū)，并分析了碳布CFRP在緯向纖維取向為90°時的銑削加工缺陷，指出表層材料以單束纖維毛刺、分層的形式出現(xiàn)，而且，毛刺、分層與經(jīng)、緯纖維編織結(jié)構(gòu)及纖維的彎曲角度相關(guān)；JAMAL等[8]采用多齒刃銑刀對碳布CFRP進行銑削試驗，結(jié)果表明在高轉(zhuǎn)速、低進給和細小切削厚度下能獲得較好的加工質(zhì)量；KARPAT等[9]使用兩種不同的刀具對單向碳纖維復合材料進行銑削試驗，研究了不同纖維取向下的切削力及其切削表面加工質(zhì)量；YASHIRO等[10]采用3種測溫法對CFRP的銑削溫度進行分析，分析了切削溫度對表面加工質(zhì)量的影響規(guī)律，指出CFRP銑削應采用高速切削加工；AKIRA等[11]通過試驗分析了立銑刀螺旋角對切削表面的影響規(guī)律；周井文等[12]通過銑削實驗，分析了銑削加工缺陷的形成機制，指出纖維取向在0°～90°時出現(xiàn)崩邊，在90°～180°時出現(xiàn)毛刺。

在碳纖維復合材料零部件的加工中，某些重要的零部件需要切制大量的細小齒槽。在齒槽的切制過程中，同樣存在較多缺陷，如最外層纖維出現(xiàn)大面積未被切除的現(xiàn)象、撕裂和分層缺陷等[13]。這些問題嚴重影響了此類零部件的加工質(zhì)量和加工效率。目前，在碳纖維復合材料(CFRP)零部件上切制齒槽的相關(guān)研究仍鮮有報道?？紤]到齒槽加工的實用性、易操作性，提出采用T型銑刀進行齒槽加工試驗，對CFRP齒槽加工的切削質(zhì)量進行研究。

1 試驗方案

1.1 工件材料及刀具

實驗所用的材料為碳布增強環(huán)氧樹脂復合材料(T300/環(huán)氧樹脂)，其纖維直徑為7～8 μm，纖維體積分數(shù)為60%～65%。試件為120°圓弧棒狀工件，外徑D=120 mm，內(nèi)徑d=20 mm，厚度h=10 mm，如圖1所示。

刀具為直柄釬焊硬質(zhì)合金(YG6X)刀片和PCD刀片，簡稱T1和T2銑刀，刀齒的輪廓形狀基本為梯形(刀具前角均為0°，后角均為11°，銑刀最大直徑均為24 mm，刀柄直徑均為180 mm，刀具長度均為73 mm)，刀具實物和齒槽尺寸分別如圖2所示。

圖1 工件形狀

Fig.1 The shape of the part

圖2 刀具形狀及齒形

1.2 試驗方法

分別采用T1和T2銑刀對碳布CFRP進行齒槽加工試驗。以切削速度Vc和每齒進給量fz為變量進行單因素試驗，切削速度Vc在195～345 m/min之間選取，間距為50 m/min；每齒進給量fz在0.011 3～0.021 2 mm/tooth之間選取，間距為0.003 3 mm/tooth。試驗均在KVC1050M立式加工中心上，采用無冷卻方式進行對稱銑削的齒槽加工試驗，試驗裝置實物和工件裝夾如圖3所示。

圖3 試驗裝置和工件裝夾

1.3 齒槽加工缺陷的評價方法

實踐表明，在齒槽加工中出現(xiàn)分層、撕裂和外層纖維未被切除等缺陷，其中齒槽切出側(cè)最外層表面的撕裂缺陷最嚴重。因此，以撕裂因子Fsl=Sl來表征撕裂的情況(Sl為齒槽切出側(cè)最外層表面的撕裂面積，通過立體顯微鏡和圖片處理軟件測得)，見圖4。

圖4 齒槽撕裂因子

2 結(jié)果與分析

2.1 刀具材料對最外層表面加工質(zhì)量的影響

分別采用T1和T2銑刀對碳布CFRP進行齒槽加工試驗，并采用撕裂因子Fsl對齒槽最外層表面的加工質(zhì)量進行表征，得到撕裂因子隨每齒進給量fz和切削速度vc的變化曲線，如圖5所示。由圖5(a)可知，隨著每齒進給量fz的增大，撕裂因子Fsl呈明顯的增大趨勢。從圖5(b)可見，隨著切削速度vc的增大，撕裂因子Fsl的變化趨勢并不明顯。此外，從圖5(a)和(b)均可見，T1銑刀的齒槽撕裂因子Fsl要明顯高于T2銑刀的。圖6(a)和(b)分別是采用T1和T2銑刀對平紋CFRP進行齒槽加工，所獲得的齒槽切出側(cè)最外層表面的加工形貌。

(b) Fsl與vc的關(guān)系

圖6 齒槽最外層表面的加工質(zhì)量 (vc=295 m/min)

從圖6可見，T1銑刀齒槽切出側(cè)最外層表面有較大的撕裂缺陷，其毛刺缺陷較小，且隨著每齒進給量fz的增大，撕裂區(qū)域明顯增大，與T1銑刀相比，T2銑刀齒槽切出側(cè)最外層表面的撕裂缺陷相對較小，但殘余纖維較為明顯，同時，隨著每齒進給量fz的增大，撕裂區(qū)域有增大趨勢，殘余纖維有減少趨勢。

2.2 刀具材料對齒槽內(nèi)側(cè)切削表面微觀形貌的影響

圖7為T1及T2銑刀齒槽內(nèi)側(cè)加工表面的微觀形貌。由圖7(a)、(b)可見，采用T1銑刀銑制齒槽，其槽內(nèi)側(cè)加工表面存在大面積的樹脂涂覆表面，有較明顯的“凹坑”，且這些“凹坑”基本出現(xiàn)在經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)的界面上，隨著進給速度的增大，這種“凹坑”有增大趨勢。采用T2銑刀銑制齒槽，其槽內(nèi)側(cè)加工表面基本為樹脂涂覆表面，切削表面較平整，沒有明顯的“凹坑”，而且隨著進給速度的增大，其齒槽內(nèi)側(cè)的切削表面基本維持著這種特征。由此可見，采用T2銑刀銑制齒槽，其加工質(zhì)量較為穩(wěn)定，能獲得較好的切削效果。

圖7 齒槽內(nèi)側(cè)切削表面微觀形貌

3 結(jié)論

(1)隨著每齒進給量fz的增大，撕裂因子Fsl呈明顯的增大趨勢，而隨著切削速度vc的增大，撕裂因子Fsl的變化趨勢不明顯；

(2)采用YG6X銑刀銑制齒槽，齒槽切出側(cè)最外層表面有較大的撕裂缺陷，而采用PCD銑刀銑制齒槽，齒槽切出側(cè)最外層表面的撕裂缺陷相對較小；

(3)采用YG6X銑刀銑制的齒槽，其槽內(nèi)側(cè)切削表面存在較明顯的“凹坑”，且隨著進給速度的增大，“凹坑”有增大趨勢。而采用PCD銑刀銑制的齒槽，其內(nèi)側(cè)切削表面基本被樹脂涂覆，切削表面較平整，沒有明顯的“凹坑”，且隨著進給速度的增大，切削表面質(zhì)量較為穩(wěn)定。

[1] 陳燕,葛恩德,傅玉燦,等.碳纖維增強樹脂基復合材料制孔技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].復合材料學報,2015,32(2):301-316.

[2] NORBERTO FEITO,ANTONIO DIAZ-LVAREZ,CANTERO J L,et al.Experimental analysis of special tool geometries when drilling woven and multidirectional CFRPs[J].Journal of Reinforced Plastics and Composites,2016,35(1):33-55.

[3] GUO D M,WEN Q,GAO H,et al.Prediction of the cutting forces generated in the drilling of carbon fibre reinforced plastic composites using a twist drill[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture,2012,226(1):28-42.

[4] XU Weixing,ZHANG Liangchi.Mechanics of fibre deformation and fracture in vibration-assisted cutting of unidirectional fibre-reinforced polymer composites[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2016,103:40-52.

[5] LUO Bin,LI Yuan,ZHANG Kaifu,et al.A novel prediction model for thrust force and torque in drilling interface region of CFRP/Ti stacks[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2015,81:1497-1508.

[6] WOLFGANG HINTZE,DIRK HARTMANN,CHRISTOPH SCHUTTE.Occurrence and propagation of delamination during the machining of carbon fibre reinforced plastics(CFRPs) an experimental study[J].Composites Science and Technology,2011,71:1719-1725.

[7] WOLFGANG HINTZE,MARCEL CORDES,GREGOR KOERKEL.Influence of weave structure on delamination when milling CFRP[J].Journal of Materials Processing Technology,2015,216:199-205.

[8] JAMAL SHEIKH-AHMAD,NEBU URBAN,HOSSEIN CHERAGHI.Machining damage in edge trimming of CFRP[J].Mareials and Manufacturing Processes,2012,27:802-808.

[9] YIIT KARPAT,ONUR BAHTIYAR,BURAK D E et al.Mechanistic force modeling for milling of unidirectional carbon fiber reinforced polymer laminates[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2012,56:79-93.

[10] TAKESHI YASHIRO,TAKAYUKI OGAWA,HIROYUKI SASAHARA.Temperature measurement of cutting tool and machined surface layer in milling of CFRP[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2013,70:63-69.

[11] AKIRA HOSOKAWA,NAOYA HIROSE,TAKASHI UEDA,et al.High-quality machining of CFRP with high helix end mill[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2014,63:89-92.

[12] 周井文,陳燕,傅玉燦,等.纖維切削角對CFRP加工缺陷的影響規(guī)律[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報,2015, 47(7):110-116.

[13] 蘇飛，袁軍堂，程寓.碳纖維增強復合材料T型齒槽加工缺陷的形成機制[J].復合材料學報,2014,31(5)：1127-1133.