付乾辰，程 寓，徐玉高

(南京理工大學 機械工程學院 工信部高端裝備制造技術協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210094)

減振鏜桿鏜削CFRP制件的試驗研究*

付乾辰，程 寓，徐玉高

(南京理工大學 機械工程學院 工信部高端裝備制造技術協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210094)

針對碳纖維增強復合材料(CFRP)制件深孔鏜削加工，設計了一種動力減振鏜桿，通過鏜削試驗研究了減振鏜桿鏜削CFRP內孔時切削力隨背吃刀量、切削速度和進給量的變化關系，并分析了切削參數(shù)對表面加工質量的影響。試驗結果表明：三個方向的切削力均隨背吃刀量與進給量的增加而增大，軸向力和徑向力隨著切削速度的增加而增大，切向力則隨著切削速度的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢；加工表面主要缺陷為凹坑和溝痕，凹坑隨著切削速度和進給量的增加而減少，溝痕隨著進給量的增加而增加。根據試驗結果得出了減振鏜桿鏜削CFRP的較為合理的切削參數(shù)。

碳纖維增強復合材料；減振鏜桿；切削力；表面缺陷

0 引言

碳纖維增強復合材料(CFRP)是目前較為先進的復合材料，它具有高比強度、高彈性模量、密度小、耐腐蝕、耐磨損、耐高溫等特點，被廣泛應用于國防軍工領域及民用領域[1]。但是CFRP硬度高、導熱性差并存在各向異性，加工過程中刀具易磨損，加工效率較低[2]，且CFRP是由碳纖維和樹脂混合而成的兩相層合結構，層間結合強度低，工件易產生基體開裂、分層、纖維斷裂等缺陷[3-4]。

對于CFRP深孔鏜削加工而言，除上述問題外，刀桿懸伸量較大(懸伸長徑比L/D大于8)且切削力呈周期性變化，因此刀頭處很容易發(fā)生振動現(xiàn)象，嚴重影響加工表面質量和刀具壽命[5]。

為了減少鏜桿的振動，Lee等[6]設計了復合結構阻尼減振鏜桿，將CFRP材料包裹在桿芯外面，桿芯內部放置鉛，用來提高鏜桿的彈性模量和阻尼。Moradi等[7]在鏜桿內部安裝了動力減振器，動力減振器會給鏜桿主振動系統(tǒng)一個交變的干擾力，可以減小其振幅，達到減振的目的。Akesson等[8]針對鏜桿振動，設計了一種自適應控制器，可對基于壓電驅動的抑振型鏜桿進行主動控制。但是上述設計缺少相應的試驗驗證，或試驗加工對象不是CFRP等難加工材料。

董星等[9]采用PCD刀具對CFRP進行了鏜削試驗，分析了切削參數(shù)對切削力，孔出口分裂因子的影響規(guī)律；Jean Francois Chatelain等[10]分別采用傳統(tǒng)刀具和新型刀具對CFRP材料進行銑削試驗，對比分析了兩種刀具的切削性能及切削質量。但是上述試驗的重點在于刀具的選擇與優(yōu)化，并未研究專用減振鏜桿，難以滿足深孔鏜削的加工要求。

針對CFRP深孔鏜削的振動問題，本文設計專用的分段式動力減振鏜桿，并對CFRP制件進行鏜削試驗，分析切削力、表面質量與切削參數(shù)的關系，最終提出較為合理的切削參數(shù)。

1 鏜削試驗

1.1 試驗條件

試驗工件為環(huán)氧樹脂基碳纖維增強復合材料，高溫固化的平行交織鋪層結構，碳纖維體積分數(shù)為60%。圖1為試驗工件鏜削加工的示意圖，工件外徑為75mm，內徑20mm，長175mm。

圖1 CFRP制件深孔鏜削示意圖

試驗刀桿采用分段式動力減振鏜桿，主要由減振部分、刀頭和鏜桿桿體組成，如圖2和圖3所示，鏜桿直徑為18mm，懸伸長度為180mm。刀頭部分與減振部分通過銷釘連接，減振部分與鏜桿桿體通過銷釘連接后焊接加固。減振部分主要由減振桿體、減振塊、環(huán)形橡膠圈、阻尼液及密封墊片構成，減振塊由環(huán)形橡膠支撐，安裝在空心減振桿體中，減振塊與空心桿體的間隙中充滿阻尼液。鏜桿本體采用彈性模量較大的硬質合金材料，刀頭采用45鋼材料，減振塊采用重金屬鉛材料，鏜刀采用TiN涂層硬質合金刀片。減振部分中減振塊、環(huán)形橡膠圈和阻尼液構成了一個附加的彈簧阻尼振動系統(tǒng)，在鏜削加工時?？梢酝ㄟ^減振塊的運動吸收鏜桿本體振動的能量。

1.減振桿體 2.鏜桿桿體 3.刀頭 4.減振塊 5.環(huán)形橡膠圈 6.阻尼液 7.密封墊片 8.銷釘 9.切削液管 10.刀片圖2 減振鏜桿主體結構示意圖

圖3 鏜桿實物圖

鏜削試驗在CK6140數(shù)控車床上進行。切削力采集采用Kistler測力系統(tǒng)，包括Kistler9119AA2測力儀、Kistler5080多通道電荷放大器、Kistler5697A數(shù)據采集器，切削力信號經過電荷放大器后送入數(shù)據采集系統(tǒng)，得到三個方向切削力Fx、Fy、Fz。試驗夾具采用專用夾具，包括T形板、凹形塊和V形塊等。試驗設備如圖4和圖5所示。

圖4 測力裝置 圖5 CK6140數(shù)控機床

1.2 試驗參數(shù)設計

試驗先選定切削速度vc=18m/min、進給量f=0.06mm/r，背吃刀量ap取0.1～0.6mm，研究背吃刀量ap對切削力的影響；再選定背吃刀量ap=0.3mm，研究不同切削速度vc和進給量f對切削力的影響。試驗參數(shù)如表1和表2所示。

表1 背吃刀量試驗(vc=18m/min，f=0.06mm/r)

表2 切削速度和進給速度試驗(ap=0.3mm)

2 試驗結果分析

測力儀所標定的坐標方向如圖6所示，X方向為軸向力方向，Y方向為切向力方向，Z方向為徑向力方向。測力儀測得的切削力時域信號如圖7所示。在每組切削力時域信號中取十個最大值，求其平均值作為該組試驗的切削力數(shù)值。

圖6 測力儀方向說明 圖7 切削力數(shù)據處理

2.1 切削參數(shù)對切削力的影響

圖8為背吃刀量ap變化時，切削力Fx、Fy、Fz的變化曲線。從圖中可以看出，三個方向的切削力均隨ap的增加而增大。ap的增大導致刀具切削刃與工件之間的接觸面積在不斷增大，切削厚度也不斷增大，顯然刀具所承受的各方向切削力也會不斷增大。ap在0.1～0.6mm變化范圍內，F(xiàn)x的增量最大，為92N，F(xiàn)y的增量最小，為56N，說明ap對切削力Fx的影響較大，對Fy的影響較小。

圖8 ap對切削力的影響

圖9為切削速度vc變化時，切削力Fx、Fy、Fz的變化曲線。從圖中可以看出，軸向力Fx和徑向力Fz隨著vc的增大而增大，而切向力Fy隨著vc的增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在CFRP的鏜削過程中，vc增大會導致刀具切削振動加劇，切削沖擊也隨之增加，使得切削力隨之增大。但是隨著vc的進一步提高，切削溫度隨之上升，CFRP工件中的樹脂層軟化，導致刀具和工件的摩擦系數(shù)降低，另一方面軟化的樹脂基體會粘附在前刀面上，導致刀具前角增大，從而使切削力出現(xiàn)減小現(xiàn)象。在10～34m/min范圍內，vc對Fx和Fz的影響較大，當vc<18m/min時，vc對Fy的影響較大，當vc>18m/min時，vc對Fy的影響逐漸減小。

(a)vc對Fx的影響 (b)vc對Fy的影響

(c)vc對Fz的影響圖9 vc對切削力的影響

圖10為進給量f變化時，切削力Fx、Fy、Fz的變化曲線，從圖中可以看出，三個方向的切削力均隨f的增加而增大。這是因為隨著f的增大，刀具在單位時間內的切削厚度增加，單位時間內工件的切除量增大，切削功提高，從而導致各方向切削力出現(xiàn)增大趨勢。在vc=18m/min時，F(xiàn)y的增量最大，達到21N，而此時Fx的變化最小，為4N。在0.02～0.14mm/r的范圍內，f對Fy和Fz的影響較大，對Fx的影響較小。

(a)f對Fx的影響 (b)f對Fy的影響

(c)f對Fz的影響圖10 f對切削力的影響

2.2 鏜孔表面的加工質量分析

CFRP鏜削過程中主要會出現(xiàn)凹坑和溝痕等缺陷。由于CFRP材料各向異性，碳纖維和樹脂基體強度差異較大，層間結合強度較低，鏜削過程中很容易造成碳纖維層成片切除而留下“凹坑”，圖11為不同鏜削參數(shù)下的內孔表面凹坑缺陷。從圖11a～圖11c中可以看出，當切削速度vc不變時(vc=26m/min)，隨著進給量f的上升條狀纖維層切除痕跡逐漸變小并減少。從圖11d～圖11f中可以看出，當進給量f不變時(f=0.02mm/r)，隨著vc的上升纖維層切除痕跡也會出現(xiàn)減少趨勢。

(a) f=0.02mm/r (b) f=0.06mm/r

(c) f=0.10mm/r (d) vc=10m/min

(e)v

c

=18m/min (f)v

c

=34m/min 圖11 內孔表面凹坑缺陷由于刀尖和工件的接觸面積較小，在進給量較大的情況下，刀尖快速經過工件表面很容易留下“溝痕”。從圖12可以看出，當切削速度

v

c

不變時(

v

c

=34m/min)，隨著

f

的降低，溝痕逐漸減少。

(a) f=0.14mm/r (b) f=0.06mm/r圖12 內孔表面溝痕缺陷

在所選試驗參數(shù)范圍內，結合切削力和加工表面質量的變化規(guī)律可知ap=0.3mm、vc=34m/min、f=0.06mm/r為較為合理的切削參數(shù)，該切削參數(shù)下的表面加工效果如圖12b所示。

3 結論

(1)減振鏜桿鏜孔過程中，三個方向的切削力Fx、Fy、Fz均隨著ap和f的增加而增大；軸向力Fx和徑向力Fz隨著vc的增加而增大，而切向力Fy則隨著vc的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

(2)切削速度vc對Fx和Fz的影響較大，當vc<18m/min時，vc對Fy的影響較大，當vc>18m/min時，vc對Fy的影響逐漸減小。進給量f對Fy和Fz的影響較大，對Fx的影響較小。

(3)內孔表面主要出現(xiàn)凹坑，溝痕等缺陷。凹坑隨著切削速度vc和進給量f的增大而減少；溝痕隨著進給量f的降低而減少。在該試驗所選參數(shù)范圍內，確定了CFRP鏜削加工的最佳切削參數(shù)為ap=0.3mm、vc=34m/min、f=0.06mm/r。

[1] 姜潤喜.碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀[J].合成技術及應用,2010,25(1):28-33.

[2] 胡寶剛,楊志翔,楊哲.復合材料后加工技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].宇航材料工藝,2000(5):24-31.

[3] 李志強,樊銳,陳五一.纖維增強復合材料的機械加工技術[J].航空制造技術,2013(12):34-37.

[4] Zhenchao Qi,&Kaifu Zhang, Hui Cheng, et al. Microscopic mechanism based force prediction in orthog-onal cutting of unidirectional CFRP [J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 79:1209-1219.

[5] 羅玉軍,高尚晗,高中庸.動態(tài)切削力對切削顫振的影響[J].機械設計與制造,2007(11):200-202.

[6] Lee D G. Hwang H Y, Kim J K. Design and manufacture of a carbon fiber epoxy rotating boring bar[J]. Composite Structures, 2003, 60(1):115-124.

[7] Moradi H, Bakhtiari-Nejad F, Movahhedy M. Tuneabe vibration absorber design to suppress vibrations: An application in boring manufacturing process[J].Journal of Sound and Vibration, 2008, 318(1-2):93-108.

[8] Akesson H, Smirnova T, Claesson I, et al. On the development of a simple and robust active control system for boring bar vibration in industry[J]. Internati-onal Journal of Acoustics and Vibrations, 2007, 12(4):139-152.

[9] 董星,李嫚,董海,等.鏜削碳纖維復合材料時切削用量對切削力及孔出口撕裂的影響[J].宇航材料工藝,2012(6):79-82.

[10]Jean-Francois Chatelain, Imed Zaghbani. A Comparison of Special Helical Cutter Geometries based on Cutting Forces for the Trimming of CFRP Laminates[J] International journal of mechanics, 2012, 1(6):52-59.

(編輯 李秀敏)

CFRP is a typically hard machining material. According to the characteristics of deep-hole boring of CFRP, a dynamical vibration absorption boring bar was designed. This paper studied the relationship between the boring force and cutting depth, cutting speed, feed rate with the different cutting parameters when the deep-hole of CFRP was bored by using the vibration absorption boring bar and analyzed the fault of the hole surface and the influence factors. The results have shown that the boring force was high with either a high cutting depth or a high feed rate, the Axial force and the Radial force were high with a high cutting speed,while the Tangential force show the tendency of decrease after the first increase with a high cutting speed. With a high feed rate, the mainly flaw of the surface is tool marks,and with a high cutting speed or a high feed rate. The mainly flaw is pit defect. According to the results of the test,the optimal technological parameters was propsed.

CFRP; vibration absorption boring bar; boring force; surface flaw

1001-2265(2017)02-0127-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.032

2016-04-26

“十二五”國防支撐項目

付乾辰(1988—)，男，河南周口人，南京理工大學碩士研究生，研究方向為先進制造工藝與裝備，(E-mail)m13770312597@163.com。

TH162;TG506

A

The Research on Deep-hole Boring of CFRP with Vibration Absorption Boring Bar

FU Qian-chen, CHENG Yu, XU Yu-gao

(School of Mechincal Engineering, Collaborative Innovation Center of High-End Equipment Manufacturing Tecnology, Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)