段春爭，李朋欣

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)具有密度小、比強(qiáng)度高、比模量高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在軍事及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，是近些年來發(fā)展較快的一種材料[1-2]。但由于其高硬度、非均質(zhì)及各向異性等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約了材料的高效加工。切削力對(duì)計(jì)算功率消耗，機(jī)床、夾具、刀具的設(shè)計(jì)，切削用量的制定，刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化，都具有重要的意義。小的切削力能夠降低切削溫度、機(jī)床功率消耗、工件振動(dòng)和零件變形，從而提高加工質(zhì)量，還能保證較長的刀具壽命。Sorrentino等人[3]采用H1UTi20T刀具進(jìn)行了CFRP銑削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)軸向力Fz隨進(jìn)給速度、徑向切深和軸向切深的增加而增加。Merino Perez J L[4]選用涂層和WC-Co刀具進(jìn)行CFRP切削力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與其它切削參數(shù)相比，切削力隨切削速度的增加變化更快。吳紅等[5]選用硬質(zhì)合金刀具銑削CFRP，結(jié)果表明銑削力隨轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的增大而增大，其中進(jìn)給速度對(duì)銑削力影響更大。Rawat[6]采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行鉆削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，軸向力隨著進(jìn)給速度的增加而增加，并與切削參數(shù)之間存在非線性的關(guān)系。

目前國內(nèi)外對(duì)CFRP銑削力已做了許多研究，但仍存在一些不足。大部分研究集中在銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響，對(duì)不同刀具的適用范圍并沒做系統(tǒng)的研究。因此，文本選擇金屬陶瓷(NX2525)、硬質(zhì)合金(HTi10)與涂層(VP15TF)三種刀具進(jìn)行CFRP銑削對(duì)比試驗(yàn)，分析不同刀具的銑削力隨銑削參數(shù)的變化規(guī)律，建立了不同刀具的銑削力經(jīng)驗(yàn)公式，從而實(shí)現(xiàn)銑削加工前銑削力的預(yù)測和控制。本文的研究對(duì)CFRP銑削過程中工藝參數(shù)及刀具材料的選擇，減小刀具磨損，改善加工表面質(zhì)量具有重要的參考作用。

1 銑削力經(jīng)驗(yàn)公式模型

由金屬切削原理可知，切削力與切削參數(shù)之間存在一定的指數(shù)關(guān)系，且經(jīng)驗(yàn)公式的標(biāo)準(zhǔn)形式為：

(1)

其中,F為切削力；C為與加工材料及切削條件的相關(guān)系數(shù)；n為轉(zhuǎn)速，r/min；vf為進(jìn)給速度，mm/min；ap為軸向切深，mm；ae為徑向切深，mm；a1、a2、a3、a4分別為指數(shù)。

本文根據(jù)式(1)建立CFRP銑削力經(jīng)驗(yàn)公式，由于ap=2mm、ae=2mm為固定值，轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度為變量，所以可以將式(1)簡化為：

(2)

對(duì)式(2)等號(hào)兩端分別取對(duì)數(shù)，得：

lgF=lgC1+a1lgn+a2lgvf

令y=lgF，a0=lgC1，x1=lgn，x2=lgvf，則y=a0+a1x1+a2x2

2 試驗(yàn)條件與方案

2.1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)選用東昱精機(jī)CMV-859A數(shù)控銑床；采用YDCB-III05型三向壓電石英測力儀對(duì)銑削力進(jìn)行測量，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)YE5850電荷放大器處理后，再經(jīng)INV3018A型數(shù)據(jù)采集分析儀進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后傳輸?shù)诫娔X上，最后經(jīng)DSAP V10.01數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到銑削力大小。

試驗(yàn)材料選用的是T700單向碳纖維層合板，尺寸規(guī)格為200×120×5mm；試驗(yàn)選用機(jī)夾式刀具，刀桿型號(hào)為BAP300R，兩刃，直徑為φ17mm；刀片型號(hào)為APMT1135PDER-H2，選用三菱公司生產(chǎn)的NX2525金屬陶瓷、VP15TF涂層、HTi10硬質(zhì)合金刀片。采用干切順銑的加工方式。

2.2 試驗(yàn)方案

通過參考文獻(xiàn)[3-4,6]及結(jié)合實(shí)際的加工條件，選用的試驗(yàn)參數(shù)如表1，試驗(yàn)采用全因素法得到12種不同的切削參數(shù)組合，進(jìn)給方向沿纖維方向。

表1 銑削參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖1為CFRP銑削加工示意圖。其中fz為每刀齒進(jìn)給量，n為轉(zhuǎn)速。由于在銑削的過程中，銑削分力Fy要遠(yuǎn)大于Fx，因此定義Fy為主銑削力，本文主要研究主銑削力Fy的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如表2。

圖1 CFRP銑削加工示意圖

轉(zhuǎn)速(r/min)進(jìn)給速度(mm/min)主銑削力Fy(N)HTi10VP15TFNX25251000200256．7174．9163．11000400289．6200．3263．21000600309225．9300．52000200192．8125．4139．22000400235．6185．4199．32000600276．2204274．33000200150．9102．4123．33000400175．5157．2181．53000600216194．5222．64000200131．293．9141．34000400150．5147．7184．94000600192．5183．3241．1

3.2 結(jié)果分析

將表2中的數(shù)據(jù)畫成圖2，從圖2中可以看出，在轉(zhuǎn)速1000～2000r/min、進(jìn)給速度200～600mm/min的銑削參數(shù)范圍內(nèi)：

Fy,HTi10>Fy,NX2525>Fy,VP15TF

其中,Fy,HTi10、Fy,NX2525、Fy,VP15TF分別為HTi10、NX2525、VP15TF刀具的主銑削力。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)，在200～400mm/min的進(jìn)給速度范圍內(nèi)：

Fy,HTi10>Fy,NX2525>Fy,VP15TF

當(dāng)轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)，在400～600mm/min的進(jìn)給速度范圍內(nèi)：

Fy,NX2525>Fy,HTi10>Fy,VP15TF

在轉(zhuǎn)速為4000r/min、進(jìn)給速度為200～600mm/min的銑削參數(shù)范圍內(nèi)：

Fy,NX2525>Fy,HTi10>Fy,VP15TF

隨著轉(zhuǎn)速的增加，HTi10與VP15TF刀具之間主銑削力的差值越來越小。

圖2 銑削參數(shù)對(duì)不同刀具主銑削力的影響

VP15TF刀具的涂層材料為(Al,Ti)N，具有較高的耐熱性、結(jié)合強(qiáng)度與耐磨性，與工件之間的親和力低，低的摩擦系數(shù)能夠降低切削力及切削溫度，涂層刀具兼具涂層與基體兩者的優(yōu)點(diǎn)，在銑削過程中能夠保證較低的主銑削力[6-7]。NX2525刀具具有較高的硬度，高速切削鋼料的時(shí)候磨損率極低，耐磨性比鎢鈷類硬質(zhì)合金高3～4倍，在加工CFRP的時(shí)候，刀具與切屑、工件接觸面上會(huì)形成氧化鈦薄膜，可以作為干潤滑劑減小摩擦，在速度較低時(shí)，主銑削力低于HTi10刀具[8]；但隨著轉(zhuǎn)速的增加，整個(gè)工藝系統(tǒng)振動(dòng)加劇，NX2525刀具對(duì)振動(dòng)比較敏感，導(dǎo)致主銑削力高于其他兩種刀具；此外NX2525相對(duì)于HTi10刀具具有高的熱膨脹系數(shù)與低的導(dǎo)熱系數(shù)，切削刃附近溫度高，刀具容易發(fā)生磨損，所以NX2525刀具在高速時(shí)主銑削力較大。VP15TF刀具在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，能夠保證較小的主銑削力；在低于2000r/min的轉(zhuǎn)速的情況下，HTi10刀具的主銑削力高于NX2525刀具，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于3000r/min時(shí)，NX2525刀具的主銑削力逐漸高于HTi10刀具。

3.3 銑削力經(jīng)驗(yàn)公式的建立

在銑削力經(jīng)驗(yàn)公式建立之前，首先對(duì)三種刀具的轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度進(jìn)行無重復(fù)雙因素方差分析，分析轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度對(duì)刀具主銑削力影響的顯著程度，其方差分析的結(jié)果見表3，其中表中的F值是在顯著水平的條件下得到，通過查F分布表得臨界值F0.05(2,6)=5.14，F(xiàn)0.05(3,6)=4.76，然后對(duì)比表中F值與臨界F0.05值，能夠得出轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度影響的顯著性水平。

表3 主銑削力影響因素方差分析

通過對(duì)比表3中的F值與臨界F0.05值，得出F值均大于其相對(duì)應(yīng)的臨界F0.05值，所以三種刀具的轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度對(duì)主銑削力均顯著性影響，其中HTi10刀具的轉(zhuǎn)速影響顯著性大于進(jìn)給速度，而VP15TF和 NX2525刀具的進(jìn)給速度影響顯著性大于轉(zhuǎn)速。為了更好的表征主銑削力隨銑削參數(shù)的變化規(guī)律，建立不同刀具主銑削力和銑削參數(shù)之間的多元回歸模型。擬合公式之前，首先需將各參數(shù)與主銑削力轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)值，再將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，經(jīng)擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式為：

(3)

(4)

(5)

其中為判斷回歸擬合的系數(shù)，越接近1，表明公式擬合的效果越好，預(yù)測的力也就越準(zhǔn)確。由于三個(gè)公式中的均高于0.9，說明建立的經(jīng)驗(yàn)公式能夠較準(zhǔn)確預(yù)測銑削力的大小。經(jīng)典切削力經(jīng)驗(yàn)公式的標(biāo)準(zhǔn)形式不僅適用于金屬切削力經(jīng)驗(yàn)公式的建立，同樣適用于CFRP銑削力經(jīng)驗(yàn)公式的建立。

從公式(3)～公式(5)中可以看出，三種刀具的主銑削力均隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨進(jìn)給速度的增大而增大。主銑削力隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，當(dāng)進(jìn)給速度相同時(shí)，高轉(zhuǎn)速下每刀齒的切削區(qū)域減小，主銑削力減??；高轉(zhuǎn)速下切削速度較高，高的切削速度又會(huì)使切削慣性力增大，從而使切削力降低；樹脂基體的導(dǎo)熱性比較差，隨著銑削速度的升高，銑削溫度會(huì)不斷升高，造成樹脂基體不斷軟化，能夠降低主銑削力；樹脂軟化后會(huì)粘附在前刀面，導(dǎo)致刀具前角增大，降低銑削力；此外隨著轉(zhuǎn)速的提高，材料表面的破碎率會(huì)逐漸增大，刀具與工件表面的摩擦面積減小，后刀面與工件表面的平均摩擦系數(shù)也會(huì)逐漸減小，也將降低主銑削力[9-10]。主銑削力隨進(jìn)給速度的增大而增大，這是因?yàn)殡S進(jìn)給速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)刀具切削量增大，每齒的最大切削厚度與切削面積增加，使變形抗力與后刀面摩擦力增大，從而導(dǎo)致主銑削力增加。

經(jīng)對(duì)比分析公式(3)～公式(5)中的指數(shù)大小與方差分析結(jié)果，使用兩種方式得出的轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度的影響程度一致，其中HTi10刀具的轉(zhuǎn)速影響程度高于進(jìn)給速度，而VP15TF刀具和NX2525刀具的進(jìn)給速度影響程度高于轉(zhuǎn)速，從側(cè)面也能反映出經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

CFRP屬于難加工材料，減小銑削力能夠提高加工質(zhì)量和減小刀具磨損。因此本文采用HTi10、VP15TF和NX2525刀具進(jìn)行CFRP銑削試驗(yàn)，為CFRP加工刀具材料及銑削參數(shù)的選擇提供參考。本文主要得到以下結(jié)論：

(1)在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，由于VP15TF刀具的(Al,Ti)N涂層與工件之間的親和力較低，摩擦系數(shù)小，主銑削力最小，VP15TF刀具最適合CFRP的銑削加工。

NX2525刀具與切屑、工件接觸面上會(huì)形成氧化鈦薄膜，作為干潤滑劑減小摩擦，在速度較低時(shí)，主銑削力低于HTi10刀具；由于NX2525刀具脆性較大，對(duì)振動(dòng)最敏感，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于3000r/min時(shí)，整個(gè)工藝系統(tǒng)振動(dòng)加劇，此外NX2525刀具的導(dǎo)熱系數(shù)較低，容易發(fā)生熱疲勞破壞，導(dǎo)致NX2525刀具主銑削力最大。

(2)建立了三種刀具的主銑削力經(jīng)驗(yàn)公式，并結(jié)合方差分析可得，銑削CFRP時(shí)，HTi10刀具轉(zhuǎn)速對(duì)主銑削力的影響程度高于進(jìn)給速度，而VP15TF和NX2525刀具進(jìn)給速度對(duì)主銑削力的影響程度高于轉(zhuǎn)速。

(3)銑削參數(shù)對(duì)HTi10、VP15TF、NX2525三種刀具的主銑削力影響規(guī)律基本一致，轉(zhuǎn)速越高，每個(gè)刀齒的去除區(qū)域減小，材料破碎率增大，摩擦減小，導(dǎo)致主銑削力越??；進(jìn)給速度越大，切削面積增大，變形抗力和摩擦力增大，主銑削力增加。因此在CFRP銑削過程中，為減小銑削力，宜采用高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給速度。

[1] 張菡英,劉明. 碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 工程塑料應(yīng)用,2015,43(11):132-135.

[2] 劉曉楠,林靜. 碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 工業(yè),2016(8):00300.

[3] Sorrentino L, Turchetta S. Milling of carbon fiber reinforced plastics: analysis of cutting forces and surface roughness[C]//18th International Conference of Composite Materials,2011.

[4] Merino Perez J L. The effect of resin on tool wear in the drilling of CFRP composites[D]. University of Sheffield, 2016.

[5] 吳紅,陳燕,韓勝超. 硬質(zhì)合金刀具銑削碳纖維復(fù)合材料的銑削力研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2014,33(8): 1255-1258.

[6] Rawat S, Attia H. Wear mechanisms and tool life management of WC-Co drilling during dry high speed drilling of woven carbon fiber composite[J]. Wear, 2009,267:1022-1030.

[7] 徐宏海,徐倩,劉東. 碳纖維復(fù)合材料高速銑削實(shí)驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009(12):167-169.

[8] 黃震. 金屬陶瓷刀具加工奧貝球鐵的切削性能研究[D].大連:大連理工大學(xué),2008.

[9] Caprino G，De Iorio I，Nele L，et al．Effect of tool wear on cutting forces in the orthogonal cutting of unidirectional glass fiber reinforced plastics[J]．Compos Part A，1996，27: 409-41.

[10] 齊鎖龍,李勛,陳志同,等. 碳纖維復(fù)合材料切邊加工實(shí)驗(yàn)研究[J]. 航空精密制造技術(shù),2010(4): 42-45.