碳纤维复合材料螺旋铣孔工艺研究

苏春杰，程祥，闫新华，郑光明，姜秀丽，刘焕宝

1山东理工大学机械工程学院；2诺伯特智能装备(山东)有限公司；3山东省机械设计研究院

1 引言

碳纤维是一种很有潜力的增强材料，具有高比强度、高比刚度、良好的导热性、导电性、良好的热稳定性和耐腐蚀性等优点，已成为继铝、钢、钛之后的第四大航空航天结构材料。机械连接所需的装配孔加工是飞机装配过程中必要环节，在制孔过程中，由于操作方法不当及制孔刀具磨损而造成的孔壁损伤时常出现，特别是对于各向异性的CFRP材料，其制孔难度远高于传统金属材料[1]。与传统的钻削加工相比，螺旋铣孔采用了不同的加工方式。螺旋铣孔过程包括3种基本运动：自转运动——以铣刀轴线为旋转轴的主运动；公转运动——刀具绕孔中心的旋转运动；沿轴线向下的进给运动。这种特殊的运动方式决定了螺旋铣孔的优势，采用偏心加工有利于改善制孔质量[2]。

Pereszlai C.等[3]采用无涂层硬质合金立铣刀对CFRP和GFRP进行倾斜螺旋铣孔试验，分析和讨论了倾斜角和螺距对轴向切削力的影响，结果表明，俯仰和倾斜角度对切削力和毛刺均影响显著，建议在研究范围内尽量增大倾斜角。Geier N.等[4]开发了一种利用未切割纤维特征的数字图像来处理监测和诊断螺旋铣孔过程的方法，通过大量试验验证了该方法的有效性和可靠性，采用监测方法加工比采用固定工艺参数加工的未切割纤维更少。Kwon B.等[5]设计了一种阶梯钻头来减少CFRP加工过程中产生的分层和未切割纤维。试验结果表明，该钻头以0.1mm/r的进给速度钻孔效果最佳，并验证了该钻头的有效性。Ahmad N.等[6]采用涂层刀具和无涂层刀具在恒定主轴转速和进给速度条件下对CFRP进行了螺旋铣孔试验。试验结果表明，涂层刀具的切削性能均优于无涂层刀具的切削性能。Zhou L.等[7]利用专用刀具对CFRP/Ti叠层结构进行螺旋铣孔试验，研究了主轴转速、孔径比和刀径比对孔直径和圆度的影响规律。试验结果表明，CFRP出口处孔直径最大，而且随着孔数的增加该趋势保持不变。Sun L.等[8]通过常规钻孔和螺旋铣孔对Ti/CFRP/Al叠层结构进行了加工过程中损伤产生的机理研究。试验结果表明，切削温度过高是螺旋铣孔加工过程中产生损伤的主要原因。螺旋铣孔比常规钻孔的切削温度低，显著提高了CFRP钻孔质量。Yang G.L.等[9]提出了新的抑制分层的反螺旋铣孔方式，该方法通过提高材料刚度来降低未切削材料的变形程度，并通过验证性试验证明了该方法的有效性，既不会增大现有分层，也不会产生新的分层。Wang H.Y.等[10]研究了CFRP螺旋铣孔的切削性能，通过试验讨论了切削参数对切削力的影响规律。采用非线性拟合方法建立了加工性能与切削参数之间的关系，并基于多目标遗传算法优化了CFRP螺旋铣孔过程中的切削参数，并通过试验验证了优化后的切削参数有效性。

为了提高CFRP的制孔质量，国内外学者做了诸多研究，但是在螺旋铣孔切削条件方面还需要进行深入研究，以期对分层缺陷和表面形貌进一步提升。本文针对CFRP材料螺旋铣孔，研究常温干式切削条件和低温冷却切削条件对孔加工质量的影响情况，通过对切削力、分层缺陷和表面形貌的分析，探讨低温冷却切削的可行性，为CFRP制孔质量的提升提供参考。

2 试验准备

2.1 试验设备

试验加工中心的主轴最高转速为36000r/min，X，Y，Z三轴工作行程分别为400mm，400mm，230mm，使用Kistler 9257B测力仪测量三向切削力(见图1)。选用直径4mm的双刃PCD铣刀，其详细参数见表1。试验材料为T300系列的碳纤维复合材料，尺寸为80mm×50mm×5mm，表2为CFRP的材料属性。

表1 铣刀参数

表2 CFRP材料属性

图1 加工中心及测力装置

由于在CFRP切削过程中刀具不断地将切削层材料与基体材料分离而产生大量切屑，切屑粉尘飘散在空气中易进入机床主轴从而影响机床精度，同时切屑粉尘易被人体吸入，危害人的健康。因此设置除尘装置，在切削过程中及时清理CFRP切屑。试验中低温冷却切削条件试验现场如图2所示，两种切削条件的说明如表3所示。对切削力、分层中加工孔的直径测量6次，将得到的试验数据取其平均值，以保证准确性。采用USB200数码工具显微镜拍照和观察分析加工孔的表面形貌。

图2 低温冷却切削条件试验现场

表3 两种切削条件的说明

2.2 试验设计

在螺旋铣孔过程中，铣刀自转转速n通常远大于轨道转速ng，因此可以近似认为切削速度v正比于铣刀主轴转速n，故螺旋铣孔切削工艺参数包括主轴转速n、铣刀中心每齿进给量St以及螺距ap[11]。试验设计选用3个影响因素，每个因素选取4个水平。根据因素数与水平数，不考虑因素间交互作用，选择L16(45)正交表，正交试验因素水平如表4所示。

表4 正交试验因素水平

3 试验结果及分析

3.1 切削力

在CFRP制孔过程中，切削力的大小直接影响制孔质量，是造成孔壁周围材料分层、孔出入口撕裂和毛刺等重大缺陷的主要因素[12]。因此，试验后选取螺旋铣孔过程中稳定切削时的切削力作为分析对象，切削力与影响因素的关系见图3～图5。

图3 切削力与主轴转速的关系

图4 切削力与铣刀中心每齿进给量的关系

图5 切削力与螺距的关系

从图3～图5可以看出，在螺旋铣孔过程中，低温冷却条件下的切削力比常温干式条件下的切削力大。这是因为CFRP的基体材料为树脂，树脂的性能决定了CFRP的结构强度、结构刚度等最终使用性能，树脂在低温冷却后变硬，使CFRP的强度随着温度的降低而提高，导致低温冷却过程中刀具克服材料对弹性及塑性变形的抗力增大，从而使切削力增大。

由图3可以看出，随着主轴转速增大，两种切削条件下的切削力均不断减小。在低温冷却条件下，随着主轴转速的不断增大，切削力整体减幅较小。在常温干式条件下，当主轴转速从8000r/min增至12000r/min和从16000r/min增至20000r/min时，切削力减幅较大；当主轴转速从12000r/min增至16000r/min时，切削力减幅较小。

由图4可以看出，随着铣刀中心每齿进给量增大，两种切削条件下的切削力均不断增大。在低温冷却条件下，当铣刀中心每齿进给量从0.02mm/z增至0.06mm/z时，切削力增幅较小，当铣刀中心每齿进给量从0.06mm/z增至0.08mm/z时，切削力增幅较大。在常温干式条件下切削力有相同的增幅表现。

由图5可以看出，随着螺距增大，两种切削条件下的切削力均不断增大。低温冷却条件下，当螺距从0.2mm增至0.6mm时，切削力增幅较大；当螺距从0.6mm增至0.8mm时，切削力增幅较小。在常温干式条件下，当螺距从0.2mm增至0.4mm时，切削力增幅较大；当螺距从0.4mm增至0.8mm时，切削力增幅较小。

3.2 分层缺陷

在诸多加工缺陷中，分层是对制孔质量有致命影响的一种缺陷，它是指CFRP层间应力或者制造缺陷等引起的复合材料铺层之间的脱胶分离破坏现象。分层缺陷一方面会造成CFRP层合板抗拉强度的下降，另一方面在交变疲劳载荷的工作条件下分层会进一步扩展，最终提前终止构件服役寿命。

取最大分层直径Dmax与孔的公称直径Dnorm的比值Fd[13]作为衡量分层程度的标准，即直径分层因子，简称分层因子Fd，有

(1)

分层因素示意图如图6所示。试验结束后，对两种切削条件下加工孔的直径进行测量，处理数据后得到的分层因子如图7所示。

图6 分层因素(示意图)

图7 两种切削条件下的分层因子

图7为每个孔在常温干式和低温冷却条件下的分层因子。可以看出，低温冷却条件下加工孔的分层因子比常温干式条件下加工孔的分层因子小，说明在低温冷却条件下有效抑制了制孔入口处的分层现象。在低温冷却条件下，由于切削力较大，能将材料更完整地切除下来推入螺旋槽，沿螺旋槽表面上升并形成相对常温干式条件下较小的剥离力，从而抑制了上层未被切除区域的分离。另外，在低温冷却条件下，由于低温抑制了螺旋铣孔过程中的纤维挤出，并降低了纤维裂纹在轴向和径向的延伸距离，使CFRP表面更规则以及分层因子更小。

其中第16个孔的分层因子最大，此时n=20000r/min，St=0.08mm/z，ap=0.2mm，在低温冷却条件下的分层因子为1.145，在常温干式条件下的分层因子为1.148；第5个孔的分层因子最小，此时n=12000r/min，St=0.02mm/z，ap=0.4mm，在低温冷却条件下的分层因子为1.126，在常温干式条件下的分层因子为1.130。

3.3 表面形貌

表面形貌是影响材料性能和可靠性的关键因素，能进一步反映材料的加工质量[14]。由前文分析可知，试验中第16个孔的分层因子最大，第5个孔的分层因子最小，其对应的加工孔的表面形貌如图8和图9所示。

(a)常温干式

(a)常温干式

试验采用的PCD铣刀为高端刀具，试验结束后在两种切削条件下加工孔的入口处表面均未产生明显表面纤维毛刺和撕裂现象。从图8a可以观察到，常温干式条件下加工孔出口处表面在切削时会产生的切屑粉尘吸附。从图8和图9可以看出，低温冷却条件下的加工孔比在常温干式条件下的加工孔表面更规则，这是因为低温冷却提高了树脂的强度和纤维的脆性，从而使CFRP材料表面更规则。由此可知，低温冷却条件下的制孔质量要优于常温干式条件下的制孔质量。

4 结语

本文应用两种切削条件(常温干式和低温冷却)，对碳纤维复合材料进行了螺旋铣孔试验，探究了两种切削条件对切削力、分层缺陷和表面形貌的影响。主要结论如下：

(1)在常温干式切削条件下，切削力更小；在低温冷却条件下，能更好地抑制分层缺陷，表面形貌更好。故在低温冷却条件下能够获得制孔质量更好的加工工件，表明了低温螺旋铣孔的可行性。

(2)两种切削条件下的切削力与主轴转速n呈反比，即随着主轴转速n增大，切削力呈不断减小的趋势；与铣刀中心每齿进给量St和螺距ap呈正比，即随着铣刀中心每齿进给量St和螺距ap增大，切削力呈不断增大的趋势。

(3)低温冷却条件下加工孔的分层因子比常温干式条件下小。当n=20000r/min，St=0.08mm/z，ap=0.2mm时，分层因子最大，在低温冷却条件下的分层因子为1.145，在常温干式条件下的分层因子为1.148；当n=12000r/min，St=0.02mm/z，ap=0.4mm时，分层因子最小，在低温冷却条件下的分层因子为1.126，在常温干式条件下的分层因子为1.130。