基于球头铣刀的碳纤维增强复合材料螺旋铣孔切削特性分析*

王海艳，金 天，王健宇，武 晔

（东北大学秦皇岛分校，秦皇岛 066004）

碳纤维增强复合材料（Carbon fiber reinforced polymer， CFRP）具有比强度高、比模量大、刚度和强度可设计、抗腐蚀性好及优良的减振特性，广泛应用于航空工业[1–3]。然而，材料各向异性以及高硬度的特点使得CFRP的可加工性较差，尤其在钻孔过程中极易产生撕裂和分层等制孔缺陷。螺旋铣孔是近10年出现的新型制孔工艺技术，专用铣刀在自转的基础上公转并保持轴向进给，断续的加工方式使得切屑较易排出，较小的轴向力减少了制孔缺陷，因此，关于螺旋铣孔工艺的研究逐渐得到重视。

早期，Ni[4]通过切削试验研究了航空铝合金、钛合金和CFRP螺旋铣孔过程中的动力学和刀具切削性能，为后续螺旋铣孔工艺的研究指明了方向。Denkena等[5]验证了在复钛叠层材料螺旋铣孔过程中，选择高的切向进给速度和低的轴向进给速度时，切削力较小，刀具和直径偏差也较小。Sasahara等[6]比较了微量润滑（MQL）条件下铝合金的螺旋铣孔过程与钻孔过程，结果显示，无论是哪种加工方式，在微量润滑条件下，制孔质量都得到较大改善。Sadek等[7]考虑了复合材料螺旋铣孔过程中切削参数对制孔质量的影响，进而分析和优化了加工参数。王奔等[8]从理论角度对螺旋铣削与传统钻削刀具的运动轨迹进行分析，并对制孔过程中的切削温度、切削力及加工质量进行了检测与分析，结果显示，由于螺旋铣削制孔时的切削温度显著低于传统钻削制孔温度，因此螺旋铣削制孔质量明显优于传统钻削制孔质量，有效避免了制孔出口处的撕裂及分层现象。近年来，难加工材料螺旋铣孔的试验逐渐开展，着重研究如何改善刀具磨损和提高制孔质量。同时，切削力、切削温度和切削运动学等理论研究也取得了重大进展，并通过切削试验进行了验证[9–11]。目前，为了改善制孔质量，尉言振等[12]在考虑复合材料易出现明显出口缺陷的基础上，提出了反向进给螺旋铣孔工艺，并设计了特殊形状的专用刀具，分析了该工艺抑制分层的机制，研究结果表明，反向进给螺旋铣孔工艺可以有效抑制复合材料出口缺陷的形成，取得了较好的制孔效果。

目前，理论研究和试验工作主要集中在专用立铣刀上。球头铣刀不仅能完成圆周进给，还能同时完成轴向进给，球头铣刀在加工复杂曲面的过程中具有明显的优势。利用球头铣刀完成螺旋铣孔过程的研究并不多见。Iyer等[13]研究了采用球头铣刀在淬硬工具钢上的螺旋铣孔过程，得到了较好的制孔质量，相对于钻孔工艺来说，不需要额外的扩孔过程。

本文基于螺旋铣孔运动学原理，采用球头铣刀开展了CFRP螺旋铣孔试验研究，主要分析和讨论切削力、刀具磨损和制孔质量等与加工直接有关参数的变化情况，对于提高制孔质量，减少刀具磨损具有指导意义。

1 螺旋铣孔运动学

螺旋铣孔过程中，刀具在自转的同时围绕预加工孔中心公转并保持一定的轴向进给，刀具中心的路径为螺旋线[14]，如图1所示。

由螺旋铣孔的运动学特性可知，刀具与预加工孔中间留有间隙，散热性较好，并增加了排屑空间，在螺旋铣孔过程中，刀具不仅要完成侧向进给，还要完成轴向进给，所以刀具的选择非常重要。球头铣刀以其他刀具无法比拟的优势完成轴向进给，切削特性也会有所不同。

如图1所示，假设刀具直径为d，mm；加工孔直径为D，mm；刀刃数为Z；刀具主轴自转速度（主轴转速）为n，r/min；公转速度为n0，r/min；每公转轴向切削深度（切削深度）为a，mm/转；则刀具每齿切向进给量（切向进给量）fzt为

图1 螺旋铣孔工艺Fig.1 Helical milling technology

刀具轴向每齿进给量（轴向进给量）fza为

刀具中心轨迹的螺旋角α为

在螺旋铣孔过程中，由式（1）可知，当刀具和孔直径不变时，刀具主轴转速、公转速度和切向进给量互相关联；而从式（2）可知，刀具主轴转速、公转速度、切削深度和轴向进给量互相关联；式（3）显示，切向进给量和轴向进给量的比值决定了刀具中心轨迹螺旋角的大小。综上分析并结合在实际加工过程中参数的选择，最终选取刀具主轴转速、切向进给量和轴向切削深度作为后续分析的依据。

2 试验流程

如图2所示，CFRP螺旋铣孔试验在三轴数控机床（XK714D）上进行干切削，TiAlN涂层的两刃球头铣刀直径为6 mm，总长度为60 mm。CFRP板材的面积为200 mm×100 mm，厚度为10 mm。预加工孔直径为10 mm。在切削过程中，利用Kistler 9119AA2测力计实时跟踪切削力的变化，利用非接触式红外测温仪（AT1350+）检测切削过程中的温度变化。在加工过程中每隔2～3个孔卸下刀具，通过工具显微镜测量刀具的磨损状态。试验过程中具体加工参数如表1所示。

图2 试验装置Fig.2 Experiment setup

表1 全因子切削参数Table 1 Cutting parameters of full factors

3 结果与讨论

3.1 切削力

当主轴转速4000 r/min、切向进给量0.02 mm/z、切削深度0.2 mm/r时，CFRP螺旋铣削时的x、y、z3向切削力如图3所示，其中z向为轴向。可以看出，轴向力波动非常严重，同时轴向力远大于其他两个方向的切削力，由于CFRP材料独特的铺层结构，如果轴向力较大，则会在加工出口区域出现撕裂和拉拔以及分层等现象，严重影响制孔质量。此外，x和y方向切削力在初始阶段呈现出逐渐增加的趋势，之后切削力稳定在一定范围内，而在最终切削区域，切削力并没有出现明显的下降趋势。分析出现这一现象的原因可能在于球头铣刀逐渐切入工件，刀头部位与工件之间的接触面积逐渐扩大，直到刀具球头部分完全切入工件，同时在切出区域，主要是切削刃的球头和圆柱部位参与切削，切削状态并没有发生太大的变化，这种情况有利于控制刀具磨损，提高制孔质量。

图3 实测切削力Fig.3 Measured cutting forces

在制孔过程中，径向力一般与刀具偏差和孔壁质量有关，而轴向力则与刀具磨损和孔的进口、出口质量直接有关，因此采用径向力和轴向力来分析切削力的变化。轴向力为z方向力，径向力为

式中，Fr为径向力；Fx、Fy分别为x、y方向的切削力。

如图4所示，轴向和径向切削力均随着切削深度和切向进给量的增加而增大，而随着主轴转速的增加而降低，轴向力的变化远大于径向力，因此主要讨论切削参数对轴向力的影响。当主轴转速从4000 r/min增加到6000 r/min（切削深度为0.2 mm/r，切向进给量为0.04 mm/z） 时，轴向切削力从约228.3 N减小到126.1 N，下降了44.8%；当切向进给量从0.02 mm/z增加到0.06 mm/z（主轴转速为4000 r/min，切削深度为0.2 mm/r）时，轴向力从175.1 N增加到295.3 N，增幅为68.6%；随着切削深度从0.1 mm/r增加到0.2 mm/r（主轴转速为4000 r/min，切向进给量为0.04 mm/z），轴向力从248.1 N增加到295.3 N，增幅为19%。可以看出，如果需要控制轴向切削力，应当尽可能采用较高的主轴转速，较小的切削深度，及选择适当的切向进给量。

图4 切削参数对切削力的影响Fig.4 Effect of cutting parameters on cutting forces

3.2 切削温度

螺旋铣孔过程中，由于孔直径大于刀具直径，增加了排屑空间，也降低了切削区的温度，但是由于切削温度的变化对刀具磨损的影响非常关键，研究和分析切削温度条件的变化对于后续的研究具有参考价值。红外测温仪测量的距离切削区80 mm处的切削温度如图5所示。

从图5中可以看出，加工第1个孔后的温度约为48 ℃，第9个孔加工完成，切削区温度约为100 ℃，而第27个孔加工完成，最高温度一直没超过102 ℃，整体上来说，切削区温度随着加工孔数量的增加呈现增大的趋势，但是切削参数的影响也不能忽略。从图6中可以看出，切削温度随主轴转速、切向进给量和切削深度的增加而升高，相比于切削参数对切削力的影响程度，切削参数对切削温度的影响相对较小。当主轴转速从4000 r/min增加到6000 r/min（切削深度0.2 mm/r，切向进给量0.04 mm/z）时，切削温度从67 ℃升高到83.7 ℃，最后升到84 ℃。当切向进给量从0.02 mm/z增加到0.06 mm/z（主轴转速为4000 r/min，切削深度为0.2 mm/r） 时，切削温度从83 ℃增大到94 ℃，后又增大到102 ℃。随着切削深度从0.1 mm/r增加到0.2 mm/r（主轴转速为4000 r/min，切向进给量为0.04 mm/z），切削温度从63.8 ℃变化到86 ℃。从分析结果可以看出，尤其在大切削参数情况下，切削温度基本无变化。

图5 CFRP材料的切削温度Fig.5 Cutting temperatures of CFRP

图6 切削参数对切削温度的影响Fig.6 Effect of cutting parameters on cutting temperatures

3.3 刀具磨损状况

考虑到复合材料的耐磨特性，在加工过程中，刀具磨损问题会直接影响切削过程，因此，刀具磨损问题的分析着重于分析刀具不同切削刃和微观特性。图7为铣削27个孔后的刀具磨损状态，可以看出，刀具的侧面和前缘均出现了明显的磨损，球面切削刃处出现了典型的沟槽以及磨亮的情况，而侧刃则出现了明显白层甚至破损的情况，无论是球面还是侧刃，刀具均呈现出典型的磨料磨损形态。从分析结果可知，球头立铣刀的磨损程度相对较轻，主要原因可能是球头立铣刀的入口区域与孔壁没有直接接触，材料去除量很小，随着切削的进行，切削刃逐渐切入，导致切削力的逐渐增加，同样，刀具到达孔出口区域时逐渐退出加工区域，但是圆柱切削刃一直参与切削，因此切削力并不像入口区域那样明显减小，与稳态切削过程基本一致。因此，球头刀具的磨损并不十分严重。

图7 刀具磨损情况Fig.7 Tool wear condition

3.4 制孔质量分析

3.4.1 直径

由于CFRP材料的各向异性，孔直径变化情况不同于金属材料，呈现明显的方向性，如图8（a）所示。孔直径分别检测x和y相互垂直方向，可以看出，除第1个和第3个孔外，y方向的孔直径均大于x方向。从试验过程中可知，x方向为纤维铺层方向，y方向垂直于纤维铺层方向，也就是说垂直于纤维铺层方向的直径更大一些，这是CFRP各向异性的体现。此外，由于按顺序加工，孔直径呈现较小的减小趋势。同时从图8（b）可以看出，孔入口直径均大于名义直径（10 mm），而孔出口直径均小于名义直径，而且随着加工孔数量的增多，出口直径减小的趋势逐渐增大。

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

3.4.2 孔入口和出口质量

采用工具显微镜详细观察孔入口和出口情况，CFRP孔口情况如图9所示，可以看出，随着加工过程的进行，入口毛刺和分层问题逐渐增多，但是由于CFRP材料特性明显不同于金属，无法通过毛刺去除来提高孔口质量。较小的缺陷可以暂时忽略，较大的缺陷需要特殊处理甚至报废。

从图9可以看出，入口分层状态并不严重，但随着刀具磨损的增加，出现了明显的毛刺和分层情况。加工第1个孔时，入口质量相对较好，当加工继续进行时，一些特殊方向上出现了明显毛刺，当加工到第27个孔之后，毛刺增大，毛刺的方向主要位于沿水平轴逆时针旋转45°～90°和180°～225°之间。当制孔底部无支撑板时，孔出口质量问题比较严重，由于纤维铺层方向是单向铺层，沿图1中x轴方向为0，严重的毛刺和撕裂现象出现在x轴的下部，位于顺时针30°位置，如图9（c）所示。因此在CFRP的加工过程中必须采取一些措施，如在孔出口部位设置垫板或支撑板等，研究结果表明，支撑板能够抑制切削加工过程中出口材料的外变形，增大临界轴向力，减少开裂的概率，并极大地降低分层损伤[8]。另外，出口材料越受约束，变形越少，纤维越容易断裂，毛刺损伤也大大减少[13]。由于CFRP材料的特性，进、出口的毛刺和分层状态直接决定了制孔质量。

图9 CFRP孔口质量Fig.9 Hole edge quality of CFRP

CFRP分层损伤通常发生在进、出口两侧表面的几层材料之间，损伤的大小需要通过超声波扫描等设备检测。毛刺和撕裂系数随孔数的变化没有规律性，而分层系数则有一定规律性，证明了CFRP制孔过程中几种损伤形式的产生具有随机性，它们之间没有必然的联系。例如，当毛刺损伤较严重时，出口分层损伤可能较轻，任何损伤都难以准确表征和反映整体制孔质量。

3.4.3 入口分层因子

分层会影响零件的连接强度，由于出口区域的分层状态与有无支撑板有很大关系，如果没有支撑板，出口缺陷非常严重；有支撑板时，孔出口基本无缺陷。因此，选择入口分层缺陷进行分析，分层因子作为评价指标，分层因子表示成孔的最大直径与理想直径的比值为

式中，Dm为实际测量的孔径；D为孔的理想直径。将计算的分层因子绘于图10中，可以看出，入口分层因子基本位于1.05～1.14之间，同时分层因子随孔数的增加而增加，即刀具磨损会影响CFRP螺旋铣削过程中的分层。

图10 入口分层因子随制孔数量的变化Fig.10 Change of entry delamination factors over hole-making numbers

从图11可以看出，对于CFRP材料，径向力随制孔数量的增加而增大的现象不如轴向力明显，但两向切削力也都呈现出增大的态势，而当制孔数量越多，刀具磨损也会越发严重，进而影响制孔质量。随着刀具磨损量的增加，切削刃变钝，不能尖锐地切割纤维，导致毛刺、撕裂和分层的增加。因此，在CFRP螺旋铣孔过程中，切削力、刀具磨损状态及制孔质量互相关联，彼此影响。

图11 切削力随制孔数量的变化Fig.11 Change of cutting forces over hole-making numbers

4 结论

基于螺旋铣孔切削机理，开展了基于球头铣刀的CFRP螺旋铣孔试验研究，试验过程中实时测量了切削力、切削温度，每隔2～3个孔测量刀具磨损状况，试验结束后测量了制孔质量。试验结果显示，在复合材料螺旋铣孔初始阶段，切削力逐渐增加，而当球头铣刀的圆柱部分进入切削区，切削力稳定在一个固定值；在出口区，切削力呈现相对稳定的状态，这种切削力的变化状态有利于控制刀具磨损，提高制孔质量。从径向和轴向两个角度分析了切削参数对切削力的影响。具体结论如下。

（1）切削力随切削深度和切向进给量的增加而增大，随主轴转速的增加而减小；轴向力的变化趋势大于径向力，主轴转速和切削深度对切削力的影响程度也相对较大。

（2）随着加工过程的进行，整体切削温度呈上升趋势，主轴转速、切削深度和切向进给量对切削温度的影响较小，切削温度随切削参数的增加呈现微小增大的态势。

（3）刀具磨损形式为典型的磨料磨损，刀头出现明显的沟槽和光泽，边沿出现明显的白层。球头立铣刀与特殊立铣刀的磨损形式基本相同，但磨损程度更轻。

（4） CFRP的孔直径在不同方向上并不相等，纤维铺层方向的直径小于垂直方向的直径，体现了CFRP的各向异性，且由于CFRP的收缩现象，孔直径呈下降趋势；明显的毛刺和分层出现在特殊方向，随着切削过程的进行，毛刺逐渐增大，但是方向不变，基本处于沿水平轴方向逆时针45°～225°之间，此外，CFRP入口分层因子基本位于1.05～1.14之间。