2. 南京理工大学机械工程学院, 南京 210094
2. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094
碳纤维增强复合材料(CFRP)具有比强度高、比模量大、可设计性强等优良特性,在航空航天等领域得到了广泛的应用[1-3]。由于CFRP的层间剪切和横向抗拉性能低,在机械加工过程中,碳纤维复合材料制品易产生毛刺、撕裂和层间分层等加工缺陷[4-5]。在碳纤维复合材料铣削加工方面,国内外专家学者做了较多研究。WOLF GANG等[6-7]研究了单向叠层CFRP不同纤维取向下铣削加工缺陷,获得了缺陷的发生区、扩散区和无扩散区,并分析了碳布CFRP在纬向纤维取向为90°时的铣削加工缺陷,指出表层材料以单束纤维毛刺、分层的形式出现,而且,毛刺、分层与经、纬纤维编织结构及纤维的弯曲角度相关;JAMAL等[8]采用多齿刃铣刀对碳布CFRP进行铣削试验,结果表明在高转速、低进给和细小切削厚度下能获得较好的加工质量;KARPAT等[9]使用两种不同的刀具对单向碳纤维复合材料进行铣削试验,研究了不同纤维取向下的切削力及其切削表面加工质量;YASHIRO等[10]采用3种测温法对CFRP的铣削温度进行分析,分析了切削温度对表面加工质量的影响规律,指出CFRP铣削应采用高速切削加工;AKIRA等[11]通过试验分析了立铣刀螺旋角对切削表面的影响规律;周井文等[12]通过铣削实验,分析了铣削加工缺陷的形成机制,指出纤维取向在0°~90°时出现崩边,在90°~180°时出现毛刺。
在碳纤维复合材料零部件的加工中,某些重要的零部件需要切制大量的细小齿槽。在齿槽的切制过程中,同样存在较多缺陷,如最外层纤维出现大面积未被切除的现象、撕裂和分层缺陷等[13]。这些问题严重影响了此类零部件的加工质量和加工效率。目前,在碳纤维复合材料(CFRP)零部件上切制齿槽的相关研究仍鲜有报道。考虑到齿槽加工的实用性、易操作性,提出采用T型铣刀进行齿槽加工试验,对CFRP齿槽加工的切削质量进行研究。
1 试验方案 1.1 工件材料及刀具实验所用的材料为碳布增强环氧树脂复合材料(T300/环氧树脂),其纤维直径为7~8 μm,纤维体积分数为60%~65%。试件为120°圆弧棒状工件,外径D=120 mm,内径d=20 mm,厚度h=10 mm,如图 1所示。刀具为直柄钎焊硬质合金(YG6X)刀片和PCD刀片,简称T1和T2铣刀,刀齿的轮廓形状基本为梯形(刀具前角均为0°,后角均为11°,铣刀最大直径均为24 mm,刀柄直径均为180 mm,刀具长度均为73 mm),刀具实物和齿槽尺寸分别如图 2所示。
1.2 试验方法分别采用T1和T2铣刀对碳布CFRP进行齿槽加工试验。以切削速度Vc和每齿进给量fz为变量进行单因素试验,切削速度Vc在195~345 m/min之间选取,间距为50 m/min;每齿进给量fz在0.011 3~0.021 2 mm/tooth之间选取,间距为0.003 3 mm/tooth。试验均在KVC1050M立式加工中心上,采用无冷却方式进行对称铣削的齿槽加工试验,试验装置实物和工件装夹如图 3所示。
1.3 齿槽加工缺陷的评价方法实践表明,在齿槽加工中出现分层、撕裂和外层纤维未被切除等缺陷,其中齿槽切出侧最外层表面的撕裂缺陷最严重。因此,以撕裂因子Fsl=Sl来表征撕裂的情况(Sl为齿槽切出侧最外层表面的撕裂面积,通过立体显微镜和图片处理软件测得),见图 4。
2 结果与分析 2.1 刀具材料对最外层表面加工质量的影响分别采用T1和T2铣刀对碳布CFRP进行齿槽加工试验,并采用撕裂因子Fsl对齿槽最外层表面的加工质量进行表征,得到撕裂因子随每齿进给量fz和切削速度vc的变化曲线,如图 5所示。由图 5(a)可知,随着每齿进给量fz的增大,撕裂因子Fsl呈明显的增大趋势。从图 5(b)可见,随着切削速度vc的增大,撕裂因子Fsl的变化趋势并不明显。此外,从图 5(a)和(b)均可见,T1铣刀的齿槽撕裂因子Fsl要明显高于T2铣刀的。图 6(a)和(b)分别是采用T1和T2铣刀对平纹CFRP进行齿槽加工,所获得的齿槽切出侧最外层表面的加工形貌。
从图 6可见,T1铣刀齿槽切出侧最外层表面有较大的撕裂缺陷,其毛刺缺陷较小,且随着每齿进给量fz的增大,撕裂区域明显增大,与T1铣刀相比,T2铣刀齿槽切出侧最外层表面的撕裂缺陷相对较小,但残余纤维较为明显,同时,随着每齿进给量fz的增大,撕裂区域有增大趋势,残余纤维有减少趋势。
2.2 刀具材料对齿槽内侧切削表面微观形貌的影响图 7为T1及T2铣刀齿槽内侧加工表面的微观形貌。由图 7(a)、(b)可见,采用T1铣刀铣制齿槽,其槽内侧加工表面存在大面积的树脂涂覆表面,有较明显的“凹坑”,且这些“凹坑”基本出现在经纬交织结构的界面上,随着进给速度的增大,这种“凹坑”有增大趋势。采用T2铣刀铣制齿槽,其槽内侧加工表面基本为树脂涂覆表面,切削表面较平整,没有明显的“凹坑”,而且随着进给速度的增大,其齿槽内侧的切削表面基本维持着这种特征。由此可见,采用T2铣刀铣制齿槽,其加工质量较为稳定,能获得较好的切削效果。
3 结论(1) 随着每齿进给量fz的增大,撕裂因子Fsl呈明显的增大趋势,而随着切削速度vc的增大,撕裂因子Fsl的变化趋势不明显;
(2) 采用YG6X铣刀铣制齿槽,齿槽切出侧最外层表面有较大的撕裂缺陷,而采用PCD铣刀铣制齿槽,齿槽切出侧最外层表面的撕裂缺陷相对较小;
(3) 采用YG6X铣刀铣制的齿槽,其槽内侧切削表面存在较明显的“凹坑”,且随着进给速度的增大,“凹坑”有增大趋势。而采用PCD铣刀铣制的齿槽,其内侧切削表面基本被树脂涂覆,切削表面较平整,没有明显的“凹坑”,且随着进给速度的增大,切削表面质量较为稳定。
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