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        基于球頭銑刀的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺旋銑孔切削特性分析*

        2022-12-16 06:23:00王海艷王健宇
        航空制造技術(shù) 2022年20期

        王海艷,金 天,王健宇,武 曄

        (東北大學(xué)秦皇島分校,秦皇島 066004)

        碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon fiber reinforced polymer, CFRP)具有比強(qiáng)度高、比模量大、剛度和強(qiáng)度可設(shè)計(jì)、抗腐蝕性好及優(yōu)良的減振特性,廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)[1–3]。然而,材料各向異性以及高硬度的特點(diǎn)使得CFRP的可加工性較差,尤其在鉆孔過程中極易產(chǎn)生撕裂和分層等制孔缺陷。螺旋銑孔是近10年出現(xiàn)的新型制孔工藝技術(shù),專用銑刀在自轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上公轉(zhuǎn)并保持軸向進(jìn)給,斷續(xù)的加工方式使得切屑較易排出,較小的軸向力減少了制孔缺陷,因此,關(guān)于螺旋銑孔工藝的研究逐漸得到重視。

        早期,Ni[4]通過切削試驗(yàn)研究了航空鋁合金、鈦合金和CFRP螺旋銑孔過程中的動(dòng)力學(xué)和刀具切削性能,為后續(xù)螺旋銑孔工藝的研究指明了方向。Denkena等[5]驗(yàn)證了在復(fù)鈦疊層材料螺旋銑孔過程中,選擇高的切向進(jìn)給速度和低的軸向進(jìn)給速度時(shí),切削力較小,刀具和直徑偏差也較小。Sasahara等[6]比較了微量潤(rùn)滑(MQL)條件下鋁合金的螺旋銑孔過程與鉆孔過程,結(jié)果顯示,無論是哪種加工方式,在微量潤(rùn)滑條件下,制孔質(zhì)量都得到較大改善。Sadek等[7]考慮了復(fù)合材料螺旋銑孔過程中切削參數(shù)對(duì)制孔質(zhì)量的影響,進(jìn)而分析和優(yōu)化了加工參數(shù)。王奔等[8]從理論角度對(duì)螺旋銑削與傳統(tǒng)鉆削刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析,并對(duì)制孔過程中的切削溫度、切削力及加工質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)與分析,結(jié)果顯示,由于螺旋銑削制孔時(shí)的切削溫度顯著低于傳統(tǒng)鉆削制孔溫度,因此螺旋銑削制孔質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鉆削制孔質(zhì)量,有效避免了制孔出口處的撕裂及分層現(xiàn)象。近年來,難加工材料螺旋銑孔的試驗(yàn)逐漸開展,著重研究如何改善刀具磨損和提高制孔質(zhì)量。同時(shí),切削力、切削溫度和切削運(yùn)動(dòng)學(xué)等理論研究也取得了重大進(jìn)展,并通過切削試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[9–11]。目前,為了改善制孔質(zhì)量,尉言振等[12]在考慮復(fù)合材料易出現(xiàn)明顯出口缺陷的基礎(chǔ)上,提出了反向進(jìn)給螺旋銑孔工藝,并設(shè)計(jì)了特殊形狀的專用刀具,分析了該工藝抑制分層的機(jī)制,研究結(jié)果表明,反向進(jìn)給螺旋銑孔工藝可以有效抑制復(fù)合材料出口缺陷的形成,取得了較好的制孔效果。

        目前,理論研究和試驗(yàn)工作主要集中在專用立銑刀上。球頭銑刀不僅能完成圓周進(jìn)給,還能同時(shí)完成軸向進(jìn)給,球頭銑刀在加工復(fù)雜曲面的過程中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。利用球頭銑刀完成螺旋銑孔過程的研究并不多見。Iyer等[13]研究了采用球頭銑刀在淬硬工具鋼上的螺旋銑孔過程,得到了較好的制孔質(zhì)量,相對(duì)于鉆孔工藝來說,不需要額外的擴(kuò)孔過程。

        本文基于螺旋銑孔運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,采用球頭銑刀開展了CFRP螺旋銑孔試驗(yàn)研究,主要分析和討論切削力、刀具磨損和制孔質(zhì)量等與加工直接有關(guān)參數(shù)的變化情況,對(duì)于提高制孔質(zhì)量,減少刀具磨損具有指導(dǎo)意義。

        1 螺旋銑孔運(yùn)動(dòng)學(xué)

        螺旋銑孔過程中,刀具在自轉(zhuǎn)的同時(shí)圍繞預(yù)加工孔中心公轉(zhuǎn)并保持一定的軸向進(jìn)給,刀具中心的路徑為螺旋線[14],如圖1所示。

        由螺旋銑孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性可知,刀具與預(yù)加工孔中間留有間隙,散熱性較好,并增加了排屑空間,在螺旋銑孔過程中,刀具不僅要完成側(cè)向進(jìn)給,還要完成軸向進(jìn)給,所以刀具的選擇非常重要。球頭銑刀以其他刀具無法比擬的優(yōu)勢(shì)完成軸向進(jìn)給,切削特性也會(huì)有所不同。

        如圖1所示,假設(shè)刀具直徑為d,mm;加工孔直徑為D,mm;刀刃數(shù)為Z;刀具主軸自轉(zhuǎn)速度(主軸轉(zhuǎn)速)為n,r/min;公轉(zhuǎn)速度為n0,r/min;每公轉(zhuǎn)軸向切削深度(切削深度)為a,mm/轉(zhuǎn);則刀具每齒切向進(jìn)給量(切向進(jìn)給量)fzt為

        圖1 螺旋銑孔工藝Fig.1 Helical milling technology

        刀具軸向每齒進(jìn)給量(軸向進(jìn)給量)fza為

        刀具中心軌跡的螺旋角α為

        在螺旋銑孔過程中,由式(1)可知,當(dāng)?shù)毒吆涂字睆讲蛔儠r(shí),刀具主軸轉(zhuǎn)速、公轉(zhuǎn)速度和切向進(jìn)給量互相關(guān)聯(lián);而從式(2)可知,刀具主軸轉(zhuǎn)速、公轉(zhuǎn)速度、切削深度和軸向進(jìn)給量互相關(guān)聯(lián);式(3)顯示,切向進(jìn)給量和軸向進(jìn)給量的比值決定了刀具中心軌跡螺旋角的大小。綜上分析并結(jié)合在實(shí)際加工過程中參數(shù)的選擇,最終選取刀具主軸轉(zhuǎn)速、切向進(jìn)給量和軸向切削深度作為后續(xù)分析的依據(jù)。

        2 試驗(yàn)流程

        如圖2所示,CFRP螺旋銑孔試驗(yàn)在三軸數(shù)控機(jī)床(XK714D)上進(jìn)行干切削,TiAlN涂層的兩刃球頭銑刀直徑為6 mm,總長(zhǎng)度為60 mm。CFRP板材的面積為200 mm×100 mm,厚度為10 mm。預(yù)加工孔直徑為10 mm。在切削過程中,利用Kistler 9119AA2測(cè)力計(jì)實(shí)時(shí)跟蹤切削力的變化,利用非接觸式紅外測(cè)溫儀(AT1350+)檢測(cè)切削過程中的溫度變化。在加工過程中每隔2~3個(gè)孔卸下刀具,通過工具顯微鏡測(cè)量刀具的磨損狀態(tài)。試驗(yàn)過程中具體加工參數(shù)如表1所示。

        圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Experiment setup

        表1 全因子切削參數(shù)Table 1 Cutting parameters of full factors

        3 結(jié)果與討論

        3.1 切削力

        當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速4000 r/min、切向進(jìn)給量0.02 mm/z、切削深度0.2 mm/r時(shí),CFRP螺旋銑削時(shí)的x、y、z3向切削力如圖3所示,其中z向?yàn)檩S向??梢钥闯?,軸向力波動(dòng)非常嚴(yán)重,同時(shí)軸向力遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向的切削力,由于CFRP材料獨(dú)特的鋪層結(jié)構(gòu),如果軸向力較大,則會(huì)在加工出口區(qū)域出現(xiàn)撕裂和拉拔以及分層等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響制孔質(zhì)量。此外,x和y方向切削力在初始階段呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì),之后切削力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),而在最終切削區(qū)域,切削力并沒有出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。分析出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能在于球頭銑刀逐漸切入工件,刀頭部位與工件之間的接觸面積逐漸擴(kuò)大,直到刀具球頭部分完全切入工件,同時(shí)在切出區(qū)域,主要是切削刃的球頭和圓柱部位參與切削,切削狀態(tài)并沒有發(fā)生太大的變化,這種情況有利于控制刀具磨損,提高制孔質(zhì)量。

        圖3 實(shí)測(cè)切削力Fig.3 Measured cutting forces

        在制孔過程中,徑向力一般與刀具偏差和孔壁質(zhì)量有關(guān),而軸向力則與刀具磨損和孔的進(jìn)口、出口質(zhì)量直接有關(guān),因此采用徑向力和軸向力來分析切削力的變化。軸向力為z方向力,徑向力為

        式中,F(xiàn)r為徑向力;Fx、Fy分別為x、y方向的切削力。

        如圖4所示,軸向和徑向切削力均隨著切削深度和切向進(jìn)給量的增加而增大,而隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而降低,軸向力的變化遠(yuǎn)大于徑向力,因此主要討論切削參數(shù)對(duì)軸向力的影響。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min增加到6000 r/min(切削深度為0.2 mm/r,切向進(jìn)給量為0.04 mm/z) 時(shí),軸向切削力從約228.3 N減小到126.1 N,下降了44.8%;當(dāng)切向進(jìn)給量從0.02 mm/z增加到0.06 mm/z(主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min,切削深度為0.2 mm/r)時(shí),軸向力從175.1 N增加到295.3 N,增幅為68.6%;隨著切削深度從0.1 mm/r增加到0.2 mm/r(主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min,切向進(jìn)給量為0.04 mm/z),軸向力從248.1 N增加到295.3 N,增幅為19%??梢钥闯觯绻枰刂戚S向切削力,應(yīng)當(dāng)盡可能采用較高的主軸轉(zhuǎn)速,較小的切削深度,及選擇適當(dāng)?shù)那邢蜻M(jìn)給量。

        圖4 切削參數(shù)對(duì)切削力的影響Fig.4 Effect of cutting parameters on cutting forces

        3.2 切削溫度

        螺旋銑孔過程中,由于孔直徑大于刀具直徑,增加了排屑空間,也降低了切削區(qū)的溫度,但是由于切削溫度的變化對(duì)刀具磨損的影響非常關(guān)鍵,研究和分析切削溫度條件的變化對(duì)于后續(xù)的研究具有參考價(jià)值。紅外測(cè)溫儀測(cè)量的距離切削區(qū)80 mm處的切削溫度如圖5所示。

        從圖5中可以看出,加工第1個(gè)孔后的溫度約為48 ℃,第9個(gè)孔加工完成,切削區(qū)溫度約為100 ℃,而第27個(gè)孔加工完成,最高溫度一直沒超過102 ℃,整體上來說,切削區(qū)溫度隨著加工孔數(shù)量的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),但是切削參數(shù)的影響也不能忽略。從圖6中可以看出,切削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速、切向進(jìn)給量和切削深度的增加而升高,相比于切削參數(shù)對(duì)切削力的影響程度,切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響相對(duì)較小。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min增加到6000 r/min(切削深度0.2 mm/r,切向進(jìn)給量0.04 mm/z)時(shí),切削溫度從67 ℃升高到83.7 ℃,最后升到84 ℃。當(dāng)切向進(jìn)給量從0.02 mm/z增加到0.06 mm/z(主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min,切削深度為0.2 mm/r) 時(shí),切削溫度從83 ℃增大到94 ℃,后又增大到102 ℃。隨著切削深度從0.1 mm/r增加到0.2 mm/r(主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min,切向進(jìn)給量為0.04 mm/z),切削溫度從63.8 ℃變化到86 ℃。從分析結(jié)果可以看出,尤其在大切削參數(shù)情況下,切削溫度基本無變化。

        圖5 CFRP材料的切削溫度Fig.5 Cutting temperatures of CFRP

        圖6 切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響Fig.6 Effect of cutting parameters on cutting temperatures

        3.3 刀具磨損狀況

        考慮到復(fù)合材料的耐磨特性,在加工過程中,刀具磨損問題會(huì)直接影響切削過程,因此,刀具磨損問題的分析著重于分析刀具不同切削刃和微觀特性。圖7為銑削27個(gè)孔后的刀具磨損狀態(tài),可以看出,刀具的側(cè)面和前緣均出現(xiàn)了明顯的磨損,球面切削刃處出現(xiàn)了典型的溝槽以及磨亮的情況,而側(cè)刃則出現(xiàn)了明顯白層甚至破損的情況,無論是球面還是側(cè)刃,刀具均呈現(xiàn)出典型的磨料磨損形態(tài)。從分析結(jié)果可知,球頭立銑刀的磨損程度相對(duì)較輕,主要原因可能是球頭立銑刀的入口區(qū)域與孔壁沒有直接接觸,材料去除量很小,隨著切削的進(jìn)行,切削刃逐漸切入,導(dǎo)致切削力的逐漸增加,同樣,刀具到達(dá)孔出口區(qū)域時(shí)逐漸退出加工區(qū)域,但是圓柱切削刃一直參與切削,因此切削力并不像入口區(qū)域那樣明顯減小,與穩(wěn)態(tài)切削過程基本一致。因此,球頭刀具的磨損并不十分嚴(yán)重。

        圖7 刀具磨損情況Fig.7 Tool wear condition

        3.4 制孔質(zhì)量分析

        3.4.1 直徑

        由于CFRP材料的各向異性,孔直徑變化情況不同于金屬材料,呈現(xiàn)明顯的方向性,如圖8(a)所示。孔直徑分別檢測(cè)x和y相互垂直方向,可以看出,除第1個(gè)和第3個(gè)孔外,y方向的孔直徑均大于x方向。從試驗(yàn)過程中可知,x方向?yàn)槔w維鋪層方向,y方向垂直于纖維鋪層方向,也就是說垂直于纖維鋪層方向的直徑更大一些,這是CFRP各向異性的體現(xiàn)。此外,由于按順序加工,孔直徑呈現(xiàn)較小的減小趨勢(shì)。同時(shí)從圖8(b)可以看出,孔入口直徑均大于名義直徑(10 mm),而孔出口直徑均小于名義直徑,而且隨著加工孔數(shù)量的增多,出口直徑減小的趨勢(shì)逐漸增大。

        圖8 不同方向和位置孔直徑Fig.8 Hole diameters at different directions and positions

        3.4.2 孔入口和出口質(zhì)量

        采用工具顯微鏡詳細(xì)觀察孔入口和出口情況,CFRP孔口情況如圖9所示,可以看出,隨著加工過程的進(jìn)行,入口毛刺和分層問題逐漸增多,但是由于CFRP材料特性明顯不同于金屬,無法通過毛刺去除來提高孔口質(zhì)量。較小的缺陷可以暫時(shí)忽略,較大的缺陷需要特殊處理甚至報(bào)廢。

        從圖9可以看出,入口分層狀態(tài)并不嚴(yán)重,但隨著刀具磨損的增加,出現(xiàn)了明顯的毛刺和分層情況。加工第1個(gè)孔時(shí),入口質(zhì)量相對(duì)較好,當(dāng)加工繼續(xù)進(jìn)行時(shí),一些特殊方向上出現(xiàn)了明顯毛刺,當(dāng)加工到第27個(gè)孔之后,毛刺增大,毛刺的方向主要位于沿水平軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°~90°和180°~225°之間。當(dāng)制孔底部無支撐板時(shí),孔出口質(zhì)量問題比較嚴(yán)重,由于纖維鋪層方向是單向鋪層,沿圖1中x軸方向?yàn)?,嚴(yán)重的毛刺和撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)在x軸的下部,位于順時(shí)針30°位置,如圖9(c)所示。因此在CFRP的加工過程中必須采取一些措施,如在孔出口部位設(shè)置墊板或支撐板等,研究結(jié)果表明,支撐板能夠抑制切削加工過程中出口材料的外變形,增大臨界軸向力,減少開裂的概率,并極大地降低分層損傷[8]。另外,出口材料越受約束,變形越少,纖維越容易斷裂,毛刺損傷也大大減少[13]。由于CFRP材料的特性,進(jìn)、出口的毛刺和分層狀態(tài)直接決定了制孔質(zhì)量。

        圖9 CFRP孔口質(zhì)量Fig.9 Hole edge quality of CFRP

        CFRP分層損傷通常發(fā)生在進(jìn)、出口兩側(cè)表面的幾層材料之間,損傷的大小需要通過超聲波掃描等設(shè)備檢測(cè)。毛刺和撕裂系數(shù)隨孔數(shù)的變化沒有規(guī)律性,而分層系數(shù)則有一定規(guī)律性,證明了CFRP制孔過程中幾種損傷形式的產(chǎn)生具有隨機(jī)性,它們之間沒有必然的聯(lián)系。例如,當(dāng)毛刺損傷較嚴(yán)重時(shí),出口分層損傷可能較輕,任何損傷都難以準(zhǔn)確表征和反映整體制孔質(zhì)量。

        3.4.3 入口分層因子

        分層會(huì)影響零件的連接強(qiáng)度,由于出口區(qū)域的分層狀態(tài)與有無支撐板有很大關(guān)系,如果沒有支撐板,出口缺陷非常嚴(yán)重;有支撐板時(shí),孔出口基本無缺陷。因此,選擇入口分層缺陷進(jìn)行分析,分層因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo),分層因子表示成孔的最大直徑與理想直徑的比值為

        式中,Dm為實(shí)際測(cè)量的孔徑;D為孔的理想直徑。將計(jì)算的分層因子繪于圖10中,可以看出,入口分層因子基本位于1.05~1.14之間,同時(shí)分層因子隨孔數(shù)的增加而增加,即刀具磨損會(huì)影響CFRP螺旋銑削過程中的分層。

        圖10 入口分層因子隨制孔數(shù)量的變化Fig.10 Change of entry delamination factors over hole-making numbers

        從圖11可以看出,對(duì)于CFRP材料,徑向力隨制孔數(shù)量的增加而增大的現(xiàn)象不如軸向力明顯,但兩向切削力也都呈現(xiàn)出增大的態(tài)勢(shì),而當(dāng)制孔數(shù)量越多,刀具磨損也會(huì)越發(fā)嚴(yán)重,進(jìn)而影響制孔質(zhì)量。隨著刀具磨損量的增加,切削刃變鈍,不能尖銳地切割纖維,導(dǎo)致毛刺、撕裂和分層的增加。因此,在CFRP螺旋銑孔過程中,切削力、刀具磨損狀態(tài)及制孔質(zhì)量互相關(guān)聯(lián),彼此影響。

        圖11 切削力隨制孔數(shù)量的變化Fig.11 Change of cutting forces over hole-making numbers

        4 結(jié)論

        基于螺旋銑孔切削機(jī)理,開展了基于球頭銑刀的CFRP螺旋銑孔試驗(yàn)研究,試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)測(cè)量了切削力、切削溫度,每隔2~3個(gè)孔測(cè)量刀具磨損狀況,試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量了制孔質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果顯示,在復(fù)合材料螺旋銑孔初始階段,切削力逐漸增加,而當(dāng)球頭銑刀的圓柱部分進(jìn)入切削區(qū),切削力穩(wěn)定在一個(gè)固定值;在出口區(qū),切削力呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),這種切削力的變化狀態(tài)有利于控制刀具磨損,提高制孔質(zhì)量。從徑向和軸向兩個(gè)角度分析了切削參數(shù)對(duì)切削力的影響。具體結(jié)論如下。

        (1)切削力隨切削深度和切向進(jìn)給量的增加而增大,隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小;軸向力的變化趨勢(shì)大于徑向力,主軸轉(zhuǎn)速和切削深度對(duì)切削力的影響程度也相對(duì)較大。

        (2)隨著加工過程的進(jìn)行,整體切削溫度呈上升趨勢(shì),主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和切向進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響較小,切削溫度隨切削參數(shù)的增加呈現(xiàn)微小增大的態(tài)勢(shì)。

        (3)刀具磨損形式為典型的磨料磨損,刀頭出現(xiàn)明顯的溝槽和光澤,邊沿出現(xiàn)明顯的白層。球頭立銑刀與特殊立銑刀的磨損形式基本相同,但磨損程度更輕。

        (4) CFRP的孔直徑在不同方向上并不相等,纖維鋪層方向的直徑小于垂直方向的直徑,體現(xiàn)了CFRP的各向異性,且由于CFRP的收縮現(xiàn)象,孔直徑呈下降趨勢(shì);明顯的毛刺和分層出現(xiàn)在特殊方向,隨著切削過程的進(jìn)行,毛刺逐漸增大,但是方向不變,基本處于沿水平軸方向逆時(shí)針45°~225°之間,此外,CFRP入口分層因子基本位于1.05~1.14之間。

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