高航, 蘭寶華, 許啟灝, 陳亮子, 肖光明

(1.大連理工大學 機械工程學院, 遼寧 大連 116024; 2.中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司, 陜西 西安 710000)

0 引言

碳纖維增強復合材料(Carbon fiber reinforced polymer/plastic,CFRP)具有比強度高、比模量大、耐腐蝕及熱膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)點[1-3],已經(jīng)廣泛應用于航空航天、汽車制造等領域[4-5]。CFRP零件通常使用近凈成型技術生產制造,但是對于諸如機翼、筒段等大型復合材料構件制備過程的形變無法避免,通過增加犧牲層以及后續(xù)機械加工可以更好地滿足形狀、尺寸與裝配精度等要求[6-7],其中以銑削為其主要加工工藝手段。然而,由于各向異性、非均質性[8-9]、各層間粘合強度低等特點,CFRP在銑削加工過程中,特別是為了確保加工效率而實施的大切深、大進給等工藝條件下,極易出現(xiàn)毛刺、分層、纖維拔出、撕裂等缺陷,是一種典型的難加工材料[10-12],如何對其進行大余量高效銑削的同時確保無撕裂分層損傷面臨挑戰(zhàn)。同時,由于CFRP層間剪切強度高、導熱性差、硬度高等特點,在實際加工中刀具磨損較為突出,嚴重降低了CFRP的加工質量和效率[13-14]。

常用的犧牲層材料結構有碳纖維單向帶結構、碳纖維織物結構及玻璃纖維織物結構[15]。表面柔軟的玻璃纖維保護層和內部堅硬的CFRP犧牲層因二者的材料性能差異較大,在銑削加工過程中很難同時確保二者均無毛邊和分層。從加工的角度來看,若是一把刀具能夠同時將堅硬的CFRP層和柔軟的保護層織物都高質量地予以加工,也是代表加工技術水平的重要進步。為此本文在討論和評價材料加工毛邊缺陷時,按未去除保護層織物的加工質量狀況來考慮。

關于CFRP銑削加工的研究已有較多的報道和研究成果。在加工力學理論研究方面,Maegawa 等[16]基于Zhang等[17]的模型,提出一種簡化的切削模型,利用該模型發(fā)現(xiàn)形成切屑的分力不依賴于刀具磨損,而擠壓分力隨著刀具磨損會逐漸增大,采用雙層刀具通過控制刀具磨損速率來減小擠壓分力,可降低總切削力。國內學者萬敏等[18]基于多元非線性回歸原理,將切削力系數(shù)表征為纖維切削角、瞬時未變形切屑厚度、主軸轉速和軸向切深的函數(shù),通過試驗表明所建立的力學模型可以很好地預測切削力的變化規(guī)律。

在有限元仿真分析方面,Ghafarizadeh等[19]通過建立端面銑削CFRP的有限元模型,研究分析了加工過程中切削力變化、切屑形成以及表面損傷機理,仿真分析和試驗結果表明切削力變化很大程度上與纖維方向有關。Xu等[20]建立了斜角切削的有限元模型,分析了纖維方向及斜角對切屑形成、切削力和表面損傷的影響,此外,他們還分析了二次切削對切削力和表面缺陷的影響。

在刀具可加工性試驗研究方面,Ozkan等[21]使用TiAlN和TiN涂層刀具銑削CFRP,研究分析了切削用量對加工表面粗糙度和切削力的影響規(guī)律。周井文等[22]采用金剛石涂層硬質合金刀具對不同纖維方向的CFRP進行順銑加工,研究分析了纖維方向和每轉進給量對加工表面形貌的影響。

縱觀諸多相關研究,關于大余量高效銑削具有柔軟保護層的CFRP研究報道不多,特別是現(xiàn)有企業(yè)生產過程中對具有柔軟保護層的CFRP無毛邊高效加工技術極為迫切,為此本文以某大型航空構件使用的T800 CFRP為例,開展了加工參數(shù)對材料銑削質量影響的試驗研究。通過分別選用4種不同結構形式刀具(硬質合金玉米銑刀、金剛石涂層銑刀、碳纖維專用復合銑刀和雙刃聚晶金剛石(PCD)銑刀),對材料的銑削力、銑削溫度以及加工表面質量進行試驗對比分析,確定了能夠實現(xiàn)較好加工質量的刀具結構形式和工藝參數(shù)規(guī)范,分析了不同加工參數(shù)對加工表面質量的影響。

1 T800 CFRP銑削試驗裝置

1.1 試驗裝置

本文試驗在CFRP專用加工試驗臺進行,試驗原理如圖1所示,試驗現(xiàn)場如圖2所示。圖1中,x、y、z為測力儀三個坐標軸方向,n為主軸轉速方向,f為進給速度方向。使用瑞士Kistler公司生產的9257B型三向測力儀、大連理工大學自研制的LN5861型電荷放大器、凌華科技有限公司生產的數(shù)據(jù)采集卡組成測力裝置;使用美國FLIR公司生產的E60型紅外熱像儀記錄加工區(qū)域工件表面的銑削溫度,試驗前使用熱電偶進行了溫度的標定;采用日本Keyence公司生產的VHX-600E超景深三維顯微鏡對加工后的表面形貌進行觀察,測量毛邊高度。

圖1 試驗原理Fig.1 Test principle

圖2 試驗現(xiàn)場Fig.2 Test site

1.2 試驗材料與刀具

本試驗使用的材料為航空用T800 CFRP層壓板,板厚6 mm,圖3為鋪層角度示意圖。層壓板共42層,其中第1層與第42層為玻璃纖維平紋織物預浸料,作為保護層,材料表面的保護層用于加工和零件裝配中降低沖擊等對內部材料的損傷;第2層與第41層為某高強中模碳纖維平紋織物預浸料;其余各層為某高強中模碳纖維單向帶預浸料。犧牲層為加工過程中在厚度方向去除的材料,例如進行端面銑削在厚度方向去除的材料便是犧牲層。本文試驗采用側面銑削,為便于理解,在此進行說明。

圖3 試驗材料及前21層鋪層角度Fig.3 Test material and paving angle of the first 21 layers

圖4所示為本試驗使用的4種刀具,分別是硬質合金玉米銑刀(材質GK10,以下簡稱玉米銑刀,見圖4(a))、硬質合金金剛石涂層銑刀(基體材質GK10,以下簡稱涂層銑刀,見圖4(b))、碳纖維專用復合銑刀(材質GK02,以下簡稱復合銑刀,見圖4(c))和雙刃PCD銑刀(以下簡稱PCD銑刀,見圖4(d)),刀具幾何參數(shù)如表1所示。本試驗使用的刀具由匯?？萍脊煞萦邢薰狙兄?、提供。

圖4 試驗刀具Fig.4 Test tools

表1 刀具幾何參數(shù)

1.3 側面銑削單因素試驗

以主軸轉速n、進給速度f和徑向切深ae為試驗的3個因素,以毛邊高度和表面粗糙度作為加工表面質量的評價標準,使用4種銑刀進行T800 CFRP層壓板側面銑削單因素試驗,試驗參數(shù)如表2所示,進給方向平行于層壓板0°方向,軸向切深為整個板厚,即6 mm。由于冷卻液會影響材料的性能,試驗采用干加工。使用超景深顯微鏡測量上表面穩(wěn)定銑削區(qū)域3點的毛邊高度,取平均值作為該因素水平下的毛邊高度,圖5為毛邊測量位置示意圖。使用美國ZYGO公司生產的NewView 9000型3D表面形貌儀測量表面粗糙度,為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性,每組試驗的表面粗糙度測3次取平均值。

表2 單因素試驗參數(shù)

圖5 毛邊測量位置Fig.5 Position for burr measurement

2 試驗結果與分析

2.1 保護層加工毛邊高度對比分析

圖6和圖7分別為4種刀具側面銑削T800 CFRP層壓板z軸方向和y軸方向毛邊高度,圖8為主軸轉速8 000 r/min、進給速度400 mm/min、徑向切深2.5 mm時4種刀具加工表面毛邊對比情況。在試驗加工參數(shù)范圍內,對于每種刀具,兩個方向的毛邊高度隨著主軸轉速的增大有減小的趨勢,隨著進給速度和徑向切削深度的增加有增大的趨勢。

圖6 z軸方向毛邊高度Fig.6 z-direction burr height

圖7 y軸方向毛邊高度Fig.7 y-direction burr height

圖8 表面毛邊高度對比(n=8 000 r/min,f=400 mm/min,ae=2.5 mm)Fig.8 Comparison of surface burr heights (n=8 000 r/min, f=400 mm/min, ae=2.5 mm)

根據(jù)圖8,毛邊主要產生于表面鋪覆的保護層,相比于內部CFRP,表面的玻璃纖維保護層較為柔軟,二者材料性能差異大,在加工過程中表面保護層由于剛性較低,容易發(fā)生彎曲變形造成纖維切斷不徹底,從而產生毛邊。此外,表面保護層與內部碳纖維的約束方式也有差異,表面保護層為單側約束,內部碳纖維為雙側約束。相比于雙側約束,單側約束強度較低,表面保護層在加工中受到的支撐不足以抵抗切削力,從而發(fā)生彎曲變形,導致纖維切斷不充分,因而產生毛邊。

根據(jù)圖6、圖7和圖8 4種刀具加工表面毛邊高度的對比可知:PCD銑刀加工后的y軸方向和z軸方向的毛邊高度比其他3種刀具大很多,基本在500 μm以上,而其他3種刀具兩個方向的毛邊高度基本在300 μm以下。

通過圖4和圖9對比4種刀具的結構可以發(fā)現(xiàn):玉米銑刀(見圖4(a))在加工過程中是由許多呈金字塔形狀的微刃共同參與銑削,涂層銑刀(見圖4(b))是由許多近似呈菱形的微刃共同參與銑削,這兩種刀具采用多刃微元銑削的方式,每個微刃上的銑削力較小,材料的變形也較小,可以有效降低加工過程中的毛邊高度;復合銑刀(見圖4(c))在每兩個主切削刃之間交替排布了左旋和右旋的微刃,在主切削刃加工之后這些微刃進行二次修復,在一定程度上可以起到降低毛邊高度的作用;PCD銑刀(見圖4(d))沒有微刃參與銑削,只有兩個主切削刃交替銑削,由于表面保護層與內部碳纖維之間粘合強度低,保護層所受到的支撐強度較低,在PCD銑刀銑削的過程中保護層容易發(fā)生彎曲變形,導致纖維不能有效切斷,從而產生嚴重的毛邊現(xiàn)象。玉米銑刀、涂層銑刀、復合銑刀、PCD銑刀每一周的刀刃齒數(shù)分別為16、12、4、2,刀刃齒數(shù)越多,刀具每轉過一周就會有更多的刀刃參與銑削,多個刀刃的修復作用使得材料去除更加充分。同時,在相同的切削效率下,即保證單位去除材料總體積相同,隨著刀具齒數(shù)增多,每齒進給量變小,每個切削刃產生銑削力越小。當每齒進給量很小時,纖維更容易被有效去除,在纖維彎曲變形較小時就發(fā)生斷裂,形成更小的面下?lián)p傷[23],有利于提高表面加工質量。此外,已知總切削力由各個切削刃產生的切削力微元構成,由于不同周向位置的切削刃得到的切削力波形在時域上存在相位差,這種離散的切削力構成使切削力變化更加平緩,材料表層受到的沖擊載荷較小,產生的形變較小,減少了由于形變而產生的毛邊。圖9中F1、F′1為刀刃切削力水平分力,F2、F′2為刀刃切削力軸向分力,F為F1和F2的合力,F′為F′1和F′2的合力。

圖9 微刃銑削與整體刃銑削Fig.9 Micro-edge milling and integral edge milling

根據(jù)圖9,玉米銑刀、涂層銑刀和復合銑刀都具有左旋和右旋的微刃,左旋和右旋的切削刃同時作用于材料,形成的合力與剪切原理相似,容易將纖維材料切斷和去除,從而抑制和減少毛邊的產生。并且,左旋和右旋刀刃形成的分力在刀具軸向方向會抵消一部分,使得切削過程比較穩(wěn)定,一定程度上可以降低毛邊和分層引起的損傷。PCD刀具只有右旋切削刃,切削刃有一個微小的螺旋角,切削過程中沿刀具軸向的分力容易引起上表面纖維的分層,使得材料去除效果不佳,從而引起嚴重的毛邊現(xiàn)象。

2.2 切向比切削能與保護層y軸方向毛邊高度的關系

以立銑刀側面銑削為例,建立刀齒銑削加工過程刀具銑削力分解如圖10所示,其中設φ為刀齒旋轉角,Ft為切向力,Fr為法向力,Fx、Fy分別為測力儀測出的x軸和y軸方向的分力,ac為切屑厚度,ft為每齒進給量。

圖10 受力分析Fig.10 Force analysis

根據(jù)力的等效關系可得

Fr=Fxsinφ+Fycosφ

(1)

Ft=Fysinφ-Fxcosφ

(2)

為分析單位面積上的銑削力,這里引入比切削能K,其定義[24]為

(3)

式中:F為銑削力;v為銑削速度;Ac為切屑橫截面,

Ac=apac

(4)

ap為軸向切深。

鑒于與旋轉角φ一一對應的瞬時銑削力很難準確地獲得,因此考慮用平均力代替旋轉角對應的瞬時力。由圖10可知切屑厚度在刀齒偏轉的過程中隨著旋轉角φ不斷變化,而銑削過程中切屑的厚度變化量非常小時,可以將厚度變化的切屑轉化為厚度均勻的等效切屑,如圖11所示,其等效切屑厚度[24]為

(5)

(6)

圖11 等效切屑與等效切屑厚度Fig.11 Equivalent chip and equivalent chip thickness

刀刃切出位置的局部區(qū)間內,切削力對保護層毛邊高度的影響較為顯著,因此討論切出時的切向比切削能與毛邊高度之間的關系?；谥暗姆治?根據(jù)式(6)可以得到切向比切削能的計算表達式為

(7)

表3所示為不同刀具條件下工藝參數(shù)對切向比切削能與y軸方向保護層毛邊高度的影響。對于同一種刀具,在主軸轉速5 000～10 000 r/min的范圍內,隨著主軸轉速升高,切向比切削能有增大的趨勢,y軸方向毛邊高度有減小的趨勢;在進給速度200～500 mm/min的范圍內,隨著進給速度增加,切向比切削能有減小的趨勢,y軸方向毛邊高度有增大的趨勢;在徑向切削深度1.0～3.0 mm的范圍內,隨著徑向切削深度增加,切向比切削能有減小的趨勢,y軸方向毛邊高度有增大的趨勢。對于同一種刀具而言,在試驗參數(shù)范圍內切向比切削能與y軸方向毛邊高度呈負相關,隨著切向比切削能增大,y軸方向毛邊高度有降低的趨勢。由于保護層與內部碳纖維之間粘合強度較低,并且保護層處于最外層,受到的支撐強度偏低,因此其剛性較低。對同一種刀具,當切向比切削能增大時,纖維在變形較小或基本未產生變形時所受到的剪切應力就達到了其剪切破壞強度,因此纖維在塑性變形尚不充分或塑性變形很小時就發(fā)生了斷裂與破壞,這樣未切斷的纖維形成毛邊的情況很大程度上得到了抑制,不易產生毛邊或者毛邊高度較小;當切向比切削能較小時說明保護層纖維切削不充分,保護層在切向力與法向力的作用下會產生彎曲變形,纖維在發(fā)生一段塑性變形后才發(fā)生破壞與斷裂,部分纖維由于受到的剪切應力未達到其剪切破壞強度而未發(fā)生剪切斷裂,而是在切削力的作用下出現(xiàn)拉伸斷裂,從而產生大量較長的毛邊。此外,對于同一種刀具,在進給速度一定時,隨著主軸轉速增大,每齒進給量相應減小,切屑厚度因而減小,因此銑削力減小,使得纖維在銑削力作用下的變形減小。這樣,纖維在變形量較小時就容易發(fā)生剪切斷裂,容易被有效去除,在一定程度上改善了表面產生大量長毛邊的現(xiàn)象。

表3 不同刀具條件下工藝參數(shù)對切向比切削能與y軸方向保護層毛邊高度的影響

2.3 加工表面粗糙度與銑削溫度對比分析

圖12所示為4種刀具加工過程中最大銑削溫度的對比。在試驗選用的參數(shù)范圍內,隨著主軸轉速和徑向切深增大,4種刀具的銑削溫度有升高的趨勢;進給速度由200 mm/min增加到300 mm/min,銑削溫度略有升高,之后隨著進給速度增大銑削溫度略有下降;銑削溫度隨著銑削過程中產熱和散熱的情況而發(fā)生變化,主軸轉速增大,單位時間內刀具與材料之間摩擦產生的熱量增多,同時材料去除量增多,消耗的功增大,使得銑削熱增加,因此銑削溫度有增大的趨勢;進給速度增大,單位時間內材料去除量增大,銑削溫度增大,但隨著進給速度進一步增加,加工相同的長度刀具與工件之間接觸時間減少,摩擦產生的熱量累積減少,散熱條件得到了改善,因此銑削溫度略有下降;徑向切深增大,單位時間內材料去除量增大,消耗的功增大,產生的銑削熱量增多,同時刀具與材料之間的接觸面積增大,摩擦產生的熱量累積增多,因此銑削溫度增大。

圖12 4種刀具最大銑削溫度Fig.12 Maximum milling temperature of the four tools

圖13 銑削溫度紅外圖像Fig.13 Infrared image of milling temperature

根據(jù)圖12和圖13對比4種刀具的銑削溫度,復合銑刀加工時銑削溫度明顯比其他3種刀具高,這主要和刀具結構有關。復合銑刀在每兩個主切削刃之間交替排布了左旋和右旋的微刃,這些微刃之間的排屑槽很小,因此銑削過程中排屑效果不如其他3種刀具,散熱條件不佳,導致復合銑刀的銑削溫度比其他刀具高。銑削溫度最小的是玉米銑刀,玉米銑刀由多個呈金字塔形的微刃同時參與切削,每個微刃上的銑削力較小,材料的形變較小,摩擦產生的熱量累積減少,因此產生的銑削熱較小;同時,微刃之間的排屑通暢,散熱條件較好,銑削溫度較低。

圖14 加工表面粗糙度SaFig.14 Machined surface roughness Sa

4種刀具加工表面粗糙度Sa如圖14所示,對比可以發(fā)現(xiàn)復合銑刀加工表面粗糙度明顯高于其他 3種刀具,根據(jù)Jia等[25]的研究,這與刀具加工時銑削溫度有一定的關系,其研究表明切削溫度對于纖維的斷裂機理具有一定的影響。如圖15所示為銑削溫度對銑削過程中纖維斷裂位置的影響。對于0°纖維方向,低溫和高溫時纖維斷裂的位置差別不是很明顯,斷裂面基本與纖維方向平行,因此溫度變化對加工表面粗糙度的影響不是很顯著。對于45°纖維方向,銑削溫度較低時樹脂對纖維的粘結作用較強,纖維與樹脂的變形較小,因此實際斷裂面與理論切削平面之間的偏移較小,加工后的表面粗糙度較低;銑削溫度較高時,樹脂對纖維的粘結作用降低,纖維受到的支撐下降,變形增大,斷裂位置相比于低溫時發(fā)生了偏移,導致實際斷裂面與理論切削平面之間的偏移量增大,因此加工后的表面粗糙度增大。對于90°纖維方向,銑削溫度降低時,纖維的彎曲變形較小,斷裂面與理論切削平面之間的偏移較小,獲得的表面粗糙度較低;當銑削溫度較高時,纖維的彎曲變形增大,斷裂面與理論切削平面之間的偏移增大,獲得的表面粗糙度增大。135°纖維方向與前兩者類似,銑削溫度較高時斷裂位置發(fā)生了偏移,斷裂面與理論切削平面之間的偏移增大導致表面粗糙度有所增加。復合銑刀由于加工過程中銑削溫度明顯高于其他3種刀具,因此獲得的表面粗糙度也比較高。

圖15 銑削溫度對纖維斷裂的影響[25]Fig.15 Effects of milling temperature on fiber fracture[25]

圖16所示為4種刀具在n=8 000 r/min、f=400 mm/min、ae=2.5 mm時的加工表面形貌圖,其中圖16(a)～圖16(d)左圖為ZYGO表面形貌儀繪制的加工表面形貌,右圖為對應區(qū)域的微觀形貌。玉米銑刀和涂層銑刀的加工表面分布有凹坑(見圖16(a)和16(b)中位置1);復合銑刀的加工表面分布有凸起(見圖16(c)中位置1和位置3)和凹坑(見圖16(c)中位置2);PCD銑刀加工表面分布有窄條形凸起(見圖16(d)中位置2)和凹坑(見圖16(d)中位置1)。

圖16 加工表面形貌Fig.16 Machined surface topography

2.4 刀具與加工參數(shù)選用

由上述分析可知,左旋和右旋刀刃同時參與銑削,形成的分力在刀具軸向方向會抵消一部分,使得切削過程比較穩(wěn)定,一定程度上可以降低毛邊和分層引起的損傷。同時,多個微刃共同銑削,增加了相同位置材料的去除次數(shù),增加了相同去除體積的走刀次數(shù),有利于抑制損傷[26]。此外,多微刃共同參與銑削,每個微刃上去除量很小,單刃銑削力因此減小,材料局部受到的載荷較小,減少了由于形變而產生的的毛邊。因此使用具有左右旋微刃的刀具,通過多刃微元銑削的方式可以有效抑制和減少加工中毛邊的產生。

以加工表面毛邊高度作為加工質量的第1個評價指標,當毛邊高度低于300 μm時可以認為加工質量較好,通過上述分析,玉米銑刀、涂層銑刀和復合銑刀加工表面毛邊高度基本都在300 μm以下,而PCD銑刀加工表面毛邊高度基本在500 μm以上。在加工表面粗糙度的對比中,復合銑刀明顯劣于其他3種刀具。綜合考慮加工表面毛邊高度和表面粗糙度,具有左右旋微刃的玉米銑刀和涂層銑刀是較為合理的刀具結構形式。

通過之前的分析可知高主軸轉速,低進給速度和徑向切深可以獲得較低的毛邊高度,銑削溫度較高會使得表面粗糙度增大,因此選擇主軸轉速8 000～8 500 r/min,進給速度300～400 mm/min,徑向切深1.5～2.0 mm,既能保證較低的毛邊高度,又可以防止較高的銑削溫度引起表面粗糙度增大。

3 結論

針對含保護層的T800 CFRP加工過程中容易產生毛邊分層缺陷問題,開展了不同結構刀具的銑削加工試驗研究,以期獲得可行的刀具結構和合理可行的加工工藝參數(shù)。得出主要結論如下:

1)綜合考慮加工表面保護層毛邊高度和表面粗糙度,具有多微刃的銑刀可以有效降低毛邊高度,左旋和右旋微刃同時參與銑削可使銑削過程更加穩(wěn)定,具有左右旋微刃的玉米銑刀和涂層銑刀是較為可行的刀具結構形式。

2)在進給速度一定的條件下,表層織物保護層的加工表面毛邊高度隨主軸轉速的增加有減小的趨勢;主軸轉速一定時,毛邊高度隨進給速度和徑向切深的增加有增大的趨勢。對于同一種刀具而言,在本文試驗所選用的加工參數(shù)范圍內,切向比切削能與保護層y軸方向毛邊高度呈負相關,隨著切向比切削能增大,保護層y軸方向毛邊高度有降低的趨勢。

3)較高的銑削溫度會引起纖維斷裂位置發(fā)生偏移,引起不同方向的纖維加工表面粗糙度增大。在主軸轉速8 000～8 500 r/min,進給速度300～400 mm/min,徑向切深1.5～2.0 mm的條件下,選用硬質合金玉米銑刀和金剛石涂層微刃銑刀,均能在保證較低毛邊高度的同時,抑制較高的銑削溫度和避免表面粗糙度惡化。