孫 瑜 楊 濤 杜 宇 郭?；?/p>

（1 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

（2 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

文 摘 為改善碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料（CF/PEEK）在銑削加工時(shí)所產(chǎn)生的毛刺、分層以及表面凹坑等缺陷，采用超聲輔助銑削的加工方式分別沿0°、45°、90°、135°四種纖維方向角對CF/PEEK進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)銑削進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明：超聲輔助銑削與傳統(tǒng)銑削相比，切削力更小且加工質(zhì)量更優(yōu)。沿90°纖維方向角對試件進(jìn)行超聲輔助銑削，切削力、表面粗糙度和毛刺高度降幅最顯著，分別降低了16.79%、28.9%和71.9%。而且在相同的加工參數(shù)下，超聲輔助銑削與傳統(tǒng)銑削相比，能夠有效地改善表面凹坑、分層等表面缺陷。

0 引言

碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料（CF/PEEK）作為典型的熱塑性復(fù)合材料，由于具有優(yōu)異抗疲勞性、耐化學(xué)腐蝕性、耐濕熱性以及透射性等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于航空航天、先進(jìn)武器系統(tǒng)、汽車以及醫(yī)療等領(lǐng)域［1］。近年來，國內(nèi)外對CF/PEEK 的優(yōu)化和加工也進(jìn)行了很多的研究，但由于CF/PEEK 具有各向異性、不均勻性以及較高的比強(qiáng)度都增加了其加工難度，是公認(rèn)的難加工材料［2］。

超聲輔助銑削（UAM）通過給刀具高頻的振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)微觀上刀-屑分離的加工方式，與傳統(tǒng)銑削（CM）相比切削力降低，表面質(zhì)量提高。對于UAM 加工，近年來國內(nèi)外專家對其開展了大量的研究。胡安東等［3］對CFRP 進(jìn)行超聲銑磨實(shí)驗(yàn)，研究表明超聲銑磨與傳統(tǒng)銑磨相比切削力更小、加工質(zhì)量更好；陳光等［4］對CFRP 超聲螺旋銑孔質(zhì)量的機(jī)制進(jìn)行研究，建立了軸向超聲輔助螺旋銑孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，發(fā)現(xiàn)超聲銑削工藝參數(shù)影響制孔質(zhì)量；魏學(xué)濤等［5］對軸向超聲銑削進(jìn)行銑削力的建模和實(shí)驗(yàn)的研究，得出了超聲振動(dòng)輔助銑削的模型，為超聲振動(dòng)輔助銑削的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)；高國富等［6］對超聲銑削C/C 復(fù)合材料銑削力進(jìn)行理論建模，并得出銑削力的理論曲線的波形變化趨勢與實(shí)際測得的銑削力的趨勢一致；張存鷹等［7］對超聲銑削系統(tǒng)振動(dòng)特性研究，發(fā)現(xiàn)超聲銑削相對于傳統(tǒng)銑削兩種材料Ra值分別降低了78%和47%；徐林紅等［8］對石墨烯鋁基復(fù)合材料進(jìn)行超聲銑削研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為1 mm/r，振幅為3.05 μm 時(shí)，石墨烯鋁基復(fù)合材料的可加工性最優(yōu)；HALIM 等［9］對CFRP 進(jìn)行超聲銑削與傳統(tǒng)銑削加工的對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超聲銑削力和溫度都有降低。對于熱塑性CFRP 切削加工的研究，ALEJANDRO 等［10］用不同刀具對熱塑性CFRP 進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)銑削后刀具表面會(huì)產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象；QIN 等［11］對CF/PEEK 與熱固性CFRP 進(jìn)行切削對比實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)由于PEEK 基體具有延展性，加工后表面質(zhì)量更優(yōu)，但是PEEK 基體在加工時(shí)易軟化，加工后表面涂覆量更大；XU 等［12］對CF/PEEK 與CF/PI 進(jìn)行切削加工對比實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)CF/PEEK 相對于與CF/PI 基體延展性更好，加工時(shí)產(chǎn)生連續(xù)的切屑，加工后的表面質(zhì)量更好。然而，國內(nèi)外很少有對CF/PEEK 進(jìn)行UAM 加工切削力和表面質(zhì)量研究。為此，本文將沿不同纖維方向角對CF/PEEK 進(jìn)行UAM 與CM 實(shí)驗(yàn)，研究不同纖維方向下，UAM 加工力和表面質(zhì)量的變化并進(jìn)行對比分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及設(shè)備

采用0°、45°、90°和135°四種不同纖維方向的單向CF/PEEK 復(fù)合材料層合板，基體為PEEK，增強(qiáng)體為T700 碳纖維，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%。試件尺寸為100 mm×30 mm×5.5 mm，鋪層數(shù)量為40 層，每層厚度約為0.14 mm。

實(shí)驗(yàn)在漢川XK714D數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，使用美順公司生產(chǎn)的JT40 超聲輔助加工設(shè)備并采用瑞士Kistler-9257B型測力儀對切削力進(jìn)行測試，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)使用4 mm 直徑的金剛石涂層硬質(zhì)合金四刃銑刀，螺旋角為40°，刃長為11 mm。使用日本Mitutoyu-SJ201 粗糙度儀、德國Leica-dvm6 超景深數(shù)碼顯微鏡對已加工試件進(jìn)行表面質(zhì)量分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

銑削方式為沿0°、45°、90°、135°四種纖維方向角進(jìn)行順銑加工。纖維方向角θ的定義，如圖2 所示。超聲輔助加工的頻率為34 kHz。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速N為3 000 r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量fr取0.01、0.03、0.05 mm/r三種不同的值，軸向切深ap為板厚5.5 mm，銑削長度L為50 mm，銑削寬度ac為0.8 mm，如圖3 所示。由于在銑削加工過程中，垂直于進(jìn)給方向上的切削力Fx遠(yuǎn)大于平行于進(jìn)給方向上的力Fy和軸向力Fz，因此定義Fx為主切削力，主要討論Fx在不同銑削條件下的變化。

圖2 銑削纖維方向角示意圖Fig.2 Diagram of milling fibre orientation angle

圖3 銑削方式示意圖Fig.3 Diagram of the milling method

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置12 組，每組實(shí)驗(yàn)包括UAM 和CM 兩種銑削方式，通過設(shè)置不同的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（0.01、0.03、0.05 mm/r）和不同的纖維方向角（0°、45°、90°、135°），對UAM 與CM 進(jìn)行切削力和表面質(zhì)量對比分析，具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Experimental program

2 結(jié)果與討論

2.1 切削力

因?yàn)閁AM 加工的振動(dòng)為周期性振動(dòng)，所以銑刀刀刃在主切削力Fx方向上的位移如下式［6］：

即主切削力也存在周期性的變化，公式如下［6］：

式中，f為頻率，A為振幅，n為銑刀齒數(shù)，ω為銑刀旋轉(zhuǎn)頻率，r為銑刀半徑，Hx為銑刀在x方向上的位移，θ為齒尖角。且（1）式相對應(yīng)的主切削力Fx的動(dòng)力學(xué)方程［6］如下：

式中，Mx為銑刀質(zhì)量，Cx為銑刀阻尼，Kx為銑刀剛度，Sx為刀刃在各個(gè)方向的變形量。因?yàn)閷τ贑F/PEEK 復(fù)合材料來說，刀刃主要切削的是纖維，所以纖維方向的不同，將直接影響刀刃變形量Sx的大小，且由式（3）可知主切削力Fx隨變形量Sx的變化而變化，所以將沿不同的纖維方向角對試件進(jìn)行UAM 和CM 加工，對比分析主切削力Fx變化趨勢和幅度是非常有必要的。

圖4 為銑刀以不同的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量沿不同纖維方向角對試件進(jìn)行UAM 與CM 加工的切削力對比曲線（N=3 000 r/min）。從圖中可以看出，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量增大，切削力隨之增大。因?yàn)殡S著每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的增大，每齒所切除的材料體積增大，受到的切削阻力變大，所以切削力增大。

圖4 沿不同纖維方向角銑削力對比示意圖Fig.4 Comparative diagram of milling forces along different fibre orientation angles

對于UAM 加工，沿不同纖維方向角銑削的切削力變化一致且135°纖維方向切削力最大，90°纖維方向切削力最小，0°和45°纖維方向的切削力處于兩者之間。因?yàn)檠?35°和0°纖維方向角進(jìn)行切削，纖維受到刀尖的正壓力作用，纖維發(fā)生破碎和脫粘失效，導(dǎo)致刀刃變形量Sx較大，由式（3）可知切削力較大；而沿90°和45°纖維方向角進(jìn)行切削，纖維受到彎曲應(yīng)力與壓應(yīng)力的同時(shí)作用，缺少下層纖維的支撐，纖維發(fā)生彎曲斷裂失效，刀刃變形量Sx相對較小，由式（3）可知切削力較小。

材料抵抗變形力和作用在刀具上的摩擦力是切削力的主要來源，銑刀沿軸向高頻振動(dòng)，使得銑刀更加鋒利化［1］并且降低了切屑的厚度，減小了刀具和工件之間的摩擦力，降低了切削抗力，從而降低了切削力。

由圖4和圖5可知，當(dāng)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.01 mm/r時(shí)，沿90°纖維方向的超聲效果最為明顯，CM切削力為7.564 N，UAM切削力為6.294 N，切削力降低了16.79%。當(dāng)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量0.03 mm/r時(shí)，45°纖維方向的超聲效果最為明顯，CM切削力為12.58 N，UAM切削力為11.2 N，切削力降低了10.97%。當(dāng)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.05 mm/r時(shí)，0°纖維方向的超聲效果最為明顯，CM切削力為27.87 N，UAM切削力26.16 N，切削力降低了6.14%。

圖5 UAM切削力降幅對比示意圖Fig.5 Comparative diagram of UAM cutting force reduction

2.2 表面質(zhì)量

2.2.1 表面缺陷

CF/PEEK 復(fù)合材料在銑削加工過程中的表面缺陷形式主要包括毛刺、分層以及表面凹坑等。毛刺高度、分層寬度以及凹坑面積是表面缺陷的評價(jià)要素，并以此為標(biāo)準(zhǔn)對表面缺陷進(jìn)行分析。由于毛刺是影響裝配精度的主要缺陷，因此本節(jié)著重對各工況下的毛刺高度進(jìn)行量化表征和參數(shù)分析。

對主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.01 mm/r 時(shí)，沿不同的纖維方向角對試件進(jìn)行UAM 與CM 加工。圖6 為0°纖維方向的表面形貌對比圖，可以看出CM 加工后的毛刺高度為0.63 mm，UAM 加工后的毛刺高度為0.28 mm，降低了0.35 mm，降幅為55.6%。而且在UAM 加工后纖維斷裂現(xiàn)象明顯改善，表面分層寬度略有減小。

圖6 沿0°纖維方向角銑削表面形貌對比Fig.6 Comparison of surface morphology along 0° fibre orientation angle milling

圖7 為45°纖維方向的表面形貌對比圖，可以看出CM 加工后的毛刺高度為1.76 mm，UAM 加工后的毛刺高度為0.92 mm，降低了0.84 mm，降幅為47.73%。而且從圖中可以看出CM 加工表面纖維撕裂明顯比UAM 加工表面要嚴(yán)重，從而導(dǎo)致分層寬度變寬。

圖7 沿45°纖維方向角銑削表面形貌對比Fig.7 Comparison of surface topography along 45° fibre orientation angle milling

圖8 為90°纖維方向角的表面形貌對比圖，可以看出CM 加工后的毛刺高度為1.32 mm，UAM 加工后的毛刺高度為0.37 mm，降低了0.95 mm，降幅為71.9%。從圖中可以看出，UAM 比CM 加工后表面的分層寬度變窄。

圖8 沿90°纖維方向角銑削表面形貌對比Fig.8 Comparison of surface topography along 90° fibre orientation angle milling

圖9為135°纖維方向角的表面形貌對比圖，可以看出CM 加工后的毛刺高度為1.41 mm，UAM 加工后的毛刺高度為0.85 mm，降低了0.56 mm，降幅為39.70%。而且從圖中可以看出UAM加工相較CM加工試件表面凹坑面積有明顯變小。

圖9 沿135°纖維方向角銑削表面形貌對比Fig.9 Comparison of surface topography along135° fibre orientation angle milling

在銑削CF/PEEK 復(fù)合材料過程中，由于熱累積使得銑削溫度不斷升高，從而產(chǎn)生PEEK 基體發(fā)生軟化涂覆在被加工表面的現(xiàn)象。而UAM 加工時(shí)，由于刀具的高頻軸向振動(dòng)，材料銑削表面溫度有所降低，PEEK 基體軟化現(xiàn)象也相應(yīng)減弱，使得PEEK 基體在被加工表面涂覆量減少并且更加均勻，被加工表面更加光整，為此有效地改善了表面凹坑和分層現(xiàn)象。

2.2.2 表面粗糙度

圖10 是主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.01 mm/r時(shí)，銑刀沿不同的纖維方向角進(jìn)行UAM與CM 加工后表面粗糙度示意圖。從圖中可以直觀地看出，UAM 加工，45°纖維方向的Ra值最大，90°纖維方向Ra值最小，0°和135°居中。因?yàn)檠?5°纖維方向角進(jìn)行切削為逆纖維切削，所以Ra值較大；沿135°纖維方向角進(jìn)行切削為順纖維切削，所以Ra值較小。

圖10 UAM與CM表面粗糙度對比示意圖Fig.10 The comparative schematic of UAM and CM surface roughness

沿90°纖維方向角UAM 加工效果最為明顯，CM加工Ra值為0.45 μm，UAM 加工Ra值為0.32 μm，Ra值降低了28.9%。而沿0°纖維方向UAM 加工效果最不明顯，CM 加工Ra值為0.79 μm，UAM 加工Ra值為0.67 μm，Ra值降低了15.2%。沿45°和135°纖維方向角UAM 加工Ra值降幅居中，分別為19.7%、22.7%。

沿90°纖維方向角進(jìn)行切削時(shí)，纖維抗分層能力差且失效形式主要為纖維擠壓斷裂，加以軸向超聲高頻振動(dòng)后，可以有效的減少纖維的分層和擠壓斷裂，所以UAM 加工對Ra有明顯改善；而沿0°纖維方向角進(jìn)行切削時(shí)，會(huì)發(fā)生典型的纖維/樹脂脫粘，因?yàn)樵诩庸r(shí)樹脂已經(jīng)整體脫離了碳纖維，所以軸向超聲高頻振動(dòng)對Ra改善不明顯。

3 結(jié)論

（1）沿不同纖維方向角進(jìn)行UAM 加工，主切削力：Fx（135°）>Fx（0°）>Fx（45°）>Fx（90°）。隨著每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的增大，UAM 加工相較CM 加工主切削力降幅逐漸減小。當(dāng)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.01 mm/r 時(shí)，沿90°纖維方向角UAM 加工主切削力降幅最大，降低了16.79%

（2）相對于CM加工，UAM加工后的材料表面凹坑、分層、毛刺有明顯改善。沿0°、45°、90°、135°纖維方角進(jìn)行UAM加工，毛刺高度分別降低了55.6%、47.73%、71.9%、39.7%。沿90°纖維方向角進(jìn)行UAM加工，分層現(xiàn)象明顯減弱并且毛刺高度降低最顯著。

（3）沿不同纖維方向角進(jìn)行UAM加工，表面粗糙度：Ra（90°）