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        新型立銑刀高速銑削碳纖維復(fù)合材料試驗(yàn)研究

        2022-12-29 02:01:42范宜鵬林有希王林建禹杰黃俊軻
        機(jī)床與液壓 2022年23期
        關(guān)鍵詞:方向

        范宜鵬,林有希 ,王林建 ,禹杰 ,黃俊軻

        (1.福建開放大學(xué)理工學(xué)院,福建福州350001;2.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,福建福州 350108)

        0 前言

        碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)因具有輕量化、高強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)異性能,在航天器大飛機(jī)制造、汽車制造、體育器材等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但其各層向異性、纖維層與樹脂間結(jié)合強(qiáng)度低,使它在精密切削過程中易于產(chǎn)生毛刺、撕裂等缺陷問題[3-4]。隨著高新微細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步,毛刺缺陷問題在加工中得到很大的改善,但細(xì)微毛刺的存在依然是制約精密加工質(zhì)量的瓶頸[5]。為此,毛刺去除工藝方法和去除機(jī)制成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn),并取得一系列研究成果。

        XU等[6]采用超聲振動(dòng)銑削,通過試驗(yàn)并結(jié)合理論計(jì)算和單纖維去除模擬,從摩擦、應(yīng)變率和材料去除機(jī)制方面分析了毛刺去除機(jī)制和毛刺數(shù)量抑制。HUSSEIN等[7]采用高頻振動(dòng)輔助加工對(duì)CFRP/Ti6Al4V復(fù)合材料鉆孔分層試驗(yàn),較好地抑制毛刺形成的同時(shí)降低金屬殘余應(yīng)力的生成。楊小璠等[8]設(shè)計(jì)不同幾何結(jié)構(gòu)立銑刀對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行側(cè)銑試驗(yàn),結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)后的刀具的幾何結(jié)構(gòu)能顯著抑制工件表面毛刺的產(chǎn)生。陳雪梅等[9]利用不同側(cè)傾角度刀具對(duì)CFRP復(fù)合材料進(jìn)行側(cè)傾銑削試驗(yàn),結(jié)果表明刀具側(cè)傾角度為20°時(shí)毛刺抑制效果最為顯著。林有希等[10]采用超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金涂層立銑刀對(duì)CFRP復(fù)合材料進(jìn)行高線速度切削銑槽試驗(yàn),結(jié)果表明高線速度切削加工能顯著降低切削力和毛刺的長(zhǎng)度,但高線速度切削也加劇了后刀面的磨損速度,縮短了刀具的壽命。除此之外,還有不少學(xué)者通過優(yōu)化切削參數(shù)和在切削過程中采用超低溫切削冷卻方式加工等方法[11-14]去除毛刺,以提高加工精度。

        基于碳纖維復(fù)合材料在高速切削過程中易產(chǎn)生細(xì)微毛刺的問題,本文作者提出一種幾何結(jié)構(gòu)粗精交錯(cuò)刃的立銑刀具,用于碳纖維復(fù)合材料的高速銑槽加工。通過對(duì)切削力、毛刺因子、表面粗糙度的分析,驗(yàn)證粗精交錯(cuò)立銑刀對(duì)毛刺抑制有顯著作用,試驗(yàn)結(jié)果也為CFRP精密加工刀具的選用提供參考。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 試驗(yàn)刀具

        試驗(yàn)選用新型四刃硬質(zhì)合金涂層粗精交錯(cuò)立銑刀(Ⅰ型刀具)與常規(guī)AlTiN涂層硬質(zhì)合金立銑刀(Ⅱ型刀具)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。新型粗精交錯(cuò)立銑刀為四刃銑刀,其刀刃由一對(duì)精磨刃與一對(duì)齒形波形刃交錯(cuò)構(gòu)成,如圖1所示。試驗(yàn)中所采用的兩種銑削刀具除切削刃結(jié)構(gòu)外,其余刀具參數(shù)均相同。刀具參數(shù)如表1所示,刀具實(shí)物如圖1所示。

        圖1 試驗(yàn)刀具

        表1 AlTiN涂層刀具參數(shù)

        1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

        試驗(yàn)所選用的試件材料為T300型CFRP層合板,其基體材料為環(huán)氧樹脂。試件材料纖維方向角θ分別為45°、90°以及135°,其力學(xué)性能如表2所示。

        表2 T300型CFRP力學(xué)性能

        試驗(yàn)采用五軸立式銑床KMC600U進(jìn)行CFRP高速銑削,該加工中心最大轉(zhuǎn)速為18 000 r/min;加工過程采用Kistler9257B測(cè)力儀實(shí)時(shí)采集切削力信號(hào),并用Dynoware軟件對(duì)切削力信號(hào)進(jìn)行分析處理。采用Leica M205FA體視顯微鏡對(duì)加工表面毛刺分布和長(zhǎng)度進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)采集及測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。

        圖2 數(shù)據(jù)采集及測(cè)量系統(tǒng)

        1.3 毛刺缺陷的評(píng)價(jià)

        采用毛刺長(zhǎng)度因子法對(duì)側(cè)槽邊上的毛刺缺陷進(jìn)行評(píng)定。定義毛刺長(zhǎng)度因子η為選定穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)毛刺長(zhǎng)度總和與區(qū)域長(zhǎng)度的比值,表達(dá)式如式(1)所示。

        (1)

        式中:ai為選定區(qū)域內(nèi)各毛刺的長(zhǎng)度;L為選定樣本毛刺長(zhǎng)度最嚴(yán)重區(qū)域(此試驗(yàn)取L=10 mm)。

        1.4 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

        采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì),研究粗精交錯(cuò)立銑刀對(duì)CFRP銑削加工質(zhì)量的效果。采用干切削的方法,為避免刀具磨損對(duì)加工質(zhì)量的影響,應(yīng)控制刀具后刀面在正常磨損范圍內(nèi),后刀面磨損量應(yīng)小于0.2 mm,每次銑削長(zhǎng)度為100 mm;試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取5組穩(wěn)定區(qū)域取樣,以減少偶然誤差。試驗(yàn)參數(shù):切削速度320 m/min,每齒進(jìn)給量0.02 mm,徑向切削深度2 mm,軸向切削深度1.5 mm,銑削方式為逆銑。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

        2.1 表面毛刺分析

        分別利用兩種刀具對(duì)各纖維角度的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行逆銑加工,加工后工件斷口處質(zhì)量對(duì)比如圖3所示。

        圖3 毛刺形成情況

        由圖3可以看到:采用普通立銑刀加工工件表面時(shí)存在較為嚴(yán)重的毛刺現(xiàn)象,纖維方向角θ=45°時(shí)工件斷口處表面出現(xiàn)細(xì)短且稀疏的毛刺,在毛刺根部未發(fā)現(xiàn)撕裂現(xiàn)象;θ=90°時(shí),工件斷口處表面上出現(xiàn)間斷較密集的毛刺群,且觀測(cè)到在表層纖維層靠近毛刺根部存在輕微的撕裂和拉絲現(xiàn)象;θ=135°時(shí),工件斷口處表面上觀測(cè)到嚴(yán)重的成片狀的毛刺缺陷和撕裂現(xiàn)象,工件已到達(dá)報(bào)廢的標(biāo)準(zhǔn);而采用粗精交錯(cuò)立銑刀精銑時(shí),槽邊表面質(zhì)量良好,均符合加工精度要求,表面毛刺缺陷得到極大的改善,纖維方向角θ=45°和θ=90°時(shí),加工槽兩邊表面上未觀察到毛刺的存在;θ=135°時(shí),加工槽邊表面處觀察到稀疏薄片狀且細(xì)長(zhǎng)的毛刺缺陷。由此可知:粗精交錯(cuò)立銑刀的特殊造型能有效地抑制毛刺和撕裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。

        圖4所示為兩種銑削刀具與毛刺因子變化的關(guān)系??芍翰捎么志诲e(cuò)立銑刀加工的工件毛刺因子顯著下降;相較于常規(guī)硬質(zhì)合金立銑刀而言,纖維方向角θ=45°時(shí)采用粗精交錯(cuò)立銑刀后毛刺因子平均值下降91.04%;θ=90°時(shí)毛刺因子平均值下降82.97%;θ=135°毛刺因子平均值下降70.90%。采用粗精交錯(cuò)立銑刀加工工件斷口處質(zhì)量得到極大的提升,這是由于刀具特殊的幾何結(jié)構(gòu)使得在齒形的刀刃旋轉(zhuǎn)切削進(jìn)給過程中,纖維層纖維出現(xiàn)上下翻邊現(xiàn)象,即齒刃部分的纖維向下,空齒表層纖維沿著切削刃向上翹起“避讓”,出現(xiàn)上下交錯(cuò)的纖維層分布,并被緊隨其后的精磨刃直接剪切斷,進(jìn)而抑制毛刺缺陷。

        圖4 毛刺因子變化曲線

        2.2 銑削軸向力分析

        在CFRP銑削過程中,影響毛刺產(chǎn)生的主要因素是軸向的銑削分力。為獲得較好的表面質(zhì)量,應(yīng)使Fz盡可能小[5]。采用測(cè)力儀分別對(duì)2種刀具加工過程的銑削軸向力Fz信號(hào)進(jìn)行采集,分別得到3種纖維鋪層方向的銑削力信號(hào),如圖5、圖6所示。

        圖5 普通立銑刀銑削力信號(hào)

        圖6 粗精交錯(cuò)立銑刀銑削力信號(hào)

        由圖5可以看到:采用普通立銑刀對(duì)CFRP進(jìn)行銑削加工時(shí),銑削力Fz波形相對(duì)平穩(wěn),穩(wěn)定峰值之間差距甚微,且各間隔波形一致呈周期性變化。由圖6可知:粗精交錯(cuò)立銑刀銑削力Fz波形出現(xiàn)完全不一致的分布,第一次負(fù)峰值波谷先急速下降保持一段時(shí)間,隨后進(jìn)入第二個(gè)波峰,最后急速斷崖式下降至第二個(gè)較小波谷。這是由于粗精交錯(cuò)立銑刀的齒形波紋刃、精磨刃交替切削導(dǎo)致的。對(duì)比兩種刀具波形圖可知精磨刃切削力信號(hào)與普通立銑刀峰值規(guī)律保持一致,齒形波紋刃刀具結(jié)構(gòu)改善了切削過程纖維與刀具受力分布情況,提高了纖維層間的支撐強(qiáng)度,進(jìn)而使切削力波峰值顯著下降。因此,采用粗精交錯(cuò)立銑刀能有效降低銑削過程平均銑削力Fz,有效抑制毛刺的生成。

        由圖7可知:采用粗精交錯(cuò)立銑刀對(duì)CFRP試件進(jìn)行逆銑加工時(shí),各個(gè)纖維方向角下銑削軸向力Fz均呈下降的趨勢(shì),相比于常規(guī)硬質(zhì)合金立銑刀而言,采用粗精交錯(cuò)立銑刀后,纖維方向角θ=45°時(shí)銑削力幅值最小,銑削力Fz平值下降20.93%;纖維方向角θ=90°時(shí)次之,銑削力Fz平均值下降17.74%;θ=135°時(shí)銑削力幅值最大,但銑削力Fz平均值僅下降5.78%。

        圖7 銑削力Fz變化曲線

        圖7說明纖維方向角θ=135°時(shí),新型粗精交錯(cuò)立銑刀對(duì)銑削力Fz改善效果較不明顯。從軸向力分析結(jié)果來看,粗精交錯(cuò)立銑刀加工能有效減少銑削力,進(jìn)而改善表層纖維彎曲變形的程度,以大幅度抑制毛刺的產(chǎn)生。

        2.3 表面粗糙度分析

        粗精交錯(cuò)立銑刀特殊造型設(shè)計(jì)主要目的是為了抑制毛刺缺陷產(chǎn)生,同時(shí)必須保證工件斷口處表面粗糙度符合加工要求。加工試驗(yàn)后,對(duì)各纖維方向角下的工件銑削斷口處表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如圖8所示。

        圖8 工件表面粗糙度對(duì)比

        從圖8可見,無論采用那種銑削刀具,纖維方向角θ為45°及90°的加工表面粗糙度Ra值均較小。相比于常規(guī)銑刀;纖維方向角θ=45°時(shí),在采用粗精交錯(cuò)立銑刀后工件表面粗糙度Ra平均值下降8.62%,纖維方向角θ=90°工件表面粗糙度Ra平均值下降僅為4.65%,兩種纖維角度槽側(cè)邊表面粗糙度均較小,為2.38~5.49 μm,能滿足加工要求;而纖維方向角θ=135°時(shí),工件表面粗糙度Ra平均值下降4.6%,但粗糙度Ra值較大為9.89~16.49 μm,遠(yuǎn)超出合格標(biāo)準(zhǔn)。從圖8還發(fā)現(xiàn)纖維方向角θ=135°的工件表面的粗糙度Ra急劇增加,相比θ=90°的工件表面粗糙度Ra,發(fā)現(xiàn)兩種刀具的加工工件表面粗糙度Ra分別增加了397.1%和394.9%,表面粗糙度Ra已遠(yuǎn)超出合格標(biāo)準(zhǔn)。通過觀察纖維方向θ=90°和θ=135°的工件切削表面SEM圖,如圖9所示。

        由圖9可知,纖維方向角θ=90°時(shí),纖維的切削表面斷口較平整、斷口處出現(xiàn)微小的凹坑。這是因?yàn)棣?90°時(shí),切削過程纖維根部有樹脂的支撐,其強(qiáng)度和剛度較大,纖維容易被切斷且不易被拔出或者變形。θ=135°時(shí),纖維的切削表面斷口不平整,斷口處出現(xiàn)較多不規(guī)則的凹坑且凹坑較深。出現(xiàn)這種反差現(xiàn)象主要是因?yàn)槔w維方向角θ=135°時(shí),纖維方向順著刀具切削的方向產(chǎn)生“讓刀”現(xiàn)象,使得刀刃在剪切過程失去支撐作用,纖維與刀刃之間存在間隙,趨于分離狀態(tài),纖維發(fā)生彎曲變形并沒有被切斷,待刀具進(jìn)給離開后,纖維彈性形變恢復(fù);其次是θ=135°時(shí)刀具進(jìn)給過程中纖維不僅受到剪切應(yīng)力的作用,同時(shí)纖維在刀具后刀面擠壓摩擦作用下存在拉伸應(yīng)力的作用,使得部分纖維被拉出,因此在工件表面出現(xiàn)毛刺缺陷和凹凸不平的坑洼形貌,導(dǎo)致粗糙度急劇上升。

        圖9 Ⅰ型刀具切削碳纖維表面SEM圖

        2.4 毛刺抑制機(jī)制分析

        毛刺的形成主要是因?yàn)楦哂捕鹊奶祭w維增強(qiáng)體與高韌性的樹脂基體層間,兩相材料性能差異極大,使得材料在表層之間的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度較低,工件表面纖維層材料為讓刀向上翹起,不易被刀刃切斷而形成毛刺缺陷。

        圖10(a)所示為精磨刃斜角切削示意圖??梢钥吹剑旱毒呗菪堑拇嬖趯?dǎo)致存在沿刀具軸向向上的銑削力Fz;在向上軸向力的作用下,纖維層向上翹起讓刀,而表層碳纖維由于缺少樹脂基體的支撐保護(hù)作用,使碳纖維向上掀起成為可能,掀起的碳纖維則發(fā)生彎曲變形不易被切斷,隨著刀刃前進(jìn),這部分纖維恢復(fù)原狀形成毛刺缺陷。

        粗精交錯(cuò)立銑刀具有獨(dú)特的切削刃結(jié)構(gòu),圍繞粗精交錯(cuò)立銑刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)其毛刺抑制機(jī)制進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:粗精交錯(cuò)立銑刀銑削過程為精磨刃與齒形波紋刃交替切削狀態(tài),齒形波紋刃切削過程如圖10(b)所示,當(dāng)齒形波紋刃進(jìn)行切削時(shí),由于刀具特殊的幾何結(jié)構(gòu)使得纖維層在齒形的刀刃旋轉(zhuǎn)切削推進(jìn)過程中,纖維出現(xiàn)上下翻邊現(xiàn)象,即齒刃部分的纖維向下,空齒表層纖維沿著切削刃向上翹起“避讓”。這一方面使得切削過程同時(shí)產(chǎn)生向上和向下的軸向力,降低了軸向力大??;另一方面使得纖維表層出現(xiàn)上下交錯(cuò)的纖維層分布,隨著刀具的推進(jìn),這些上下交錯(cuò)的纖維層并沒有及時(shí)恢復(fù)原狀,隨著刀具旋轉(zhuǎn)精磨刃進(jìn)入切削區(qū)域,翹起的纖維被從不同方向上切斷。正是由于粗精交錯(cuò)立銑刀具獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),刀具在銑削過程中能夠顯著改變纖維層的受力空間分布,使得銑削軸向力峰值下降,同時(shí)改變表層纖維分布特征,能更高效地被刀刃剪斷,進(jìn)而抑制毛刺的產(chǎn)生。

        圖10 CFRP銑削示意

        3 結(jié)語

        本文作者針對(duì)CFRP材料在銑削加工過程中易產(chǎn)生毛刺缺陷的問題,提出一種旨在減少CFRP銑削毛刺的粗精交錯(cuò)立銑刀,并與普通銑刀進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),得到如下結(jié)論:

        (1)通過觀測(cè)加工表面,采用粗精交錯(cuò)立銑刀銑削時(shí),3種纖維方向角度的銑削表面毛刺均得到一定程度的抑制;θ=45°時(shí),毛刺抑制效果最優(yōu),毛刺因子平均值下降達(dá)到91.04%;θ=90°時(shí)次之,毛刺因子平均值下降達(dá)到82.97%;θ=135°時(shí),毛刺抑制效果最差,毛刺因子平均值下降70.90%;

        (2)在銑槽過程中采用粗精交錯(cuò)立銑刀,切削力信號(hào)波形出現(xiàn)峰值呈交替變大變小的現(xiàn)象,第一次負(fù)峰值波谷先急速下降保持一段時(shí)間,隨后進(jìn)入第二個(gè)波峰,最后急速斷崖式下降至第二個(gè)較小波谷,這種切削力波形交替變化現(xiàn)象,使各纖維方向角銑削力Fz平均值依次下降20.93%、17.74%和5.78%;

        (3)在銑槽過程中采用粗精交錯(cuò)立銑刀,纖維方向角θ為45°及90°時(shí),槽側(cè)邊表面粗糙度較小,Ra為2.38~5.49 μm,能滿足加工要求,而θ=135°時(shí),工件表面的粗糙度急劇增加,其Ra為9.89~16.49 μm,遠(yuǎn)超出合格標(biāo)準(zhǔn);

        (4)粗精交錯(cuò)立銑刀齒形波紋刃與精磨刃交錯(cuò)分布的結(jié)構(gòu)減小了銑削碳纖維復(fù)合材料時(shí)的軸向力,同時(shí)改變了表層纖維分布特征,能更高效地被剪斷,進(jìn)而抑制毛刺的產(chǎn)生。

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