高 航， 姚舜銘， 鮑永杰， 劉旭超

(1. 大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)(2. 大連理工常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213164)

復(fù)合材料具有密度小、比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防工業(yè)及其他先進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域[1]。狹長深腔類復(fù)合材料構(gòu)件是一種典型的航天產(chǎn)品，此類構(gòu)件常需要在狹小空間的深腔內(nèi)壁中進(jìn)行制孔，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的連接裝配[2-3]。但其加工的問題也很多，如：作業(yè)空間不足，加工效率低下；懸臂結(jié)構(gòu)剛度不足，難以保證加工質(zhì)量與精度；孔系規(guī)格多，需頻繁換刀，影響加工效率和重復(fù)定位精度等。此外，因復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，在制孔加工中還會(huì)出現(xiàn)纖維抽離、分層、撕裂等缺陷，嚴(yán)重影響連接孔的加工精度及強(qiáng)度[4-5]。

復(fù)合材料的制孔工藝研究已成為國際上的研究熱點(diǎn)，新的制孔工藝如螺旋銑孔、變參數(shù)鉆削加工、“以磨代鉆”加工和振動(dòng)輔助鉆削加工等[6]開始出現(xiàn)。螺旋銑孔工藝作為一種新型的復(fù)合材料制孔方法，在大直徑、多規(guī)格孔系特征加工中應(yīng)用廣泛。其加工原理是借鑒銑削加工方法，通過改變刀具中心軸與加工孔軸線間的偏心距，從而實(shí)現(xiàn)不同孔徑的制孔要求[7]。目前，國內(nèi)外學(xué)者在復(fù)合材料螺旋銑孔加工切削力與加工質(zhì)量分析，難加工材料螺旋銑工藝切削性能分析等方面做了大量研究[8-10]。

在復(fù)合材料螺旋銑孔研究中，絕大部分加工工具仍然使用硬質(zhì)合金刀具，但硬質(zhì)合金刀具銑削復(fù)合材料時(shí)的銑削力較大，極易產(chǎn)生分層撕裂與毛刺等缺陷[11]。而采用“以磨代銑”工藝對復(fù)合材料進(jìn)行銑削加工，可以得到較低的切削力與較好的加工質(zhì)量[12]?！耙阅ゴ姟奔庸し椒ū举|(zhì)上是通過磨削的加工方法，來實(shí)現(xiàn)銑削加工纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的效果。目前，針對復(fù)合材料磨削加工中磨削力的變化分析研究較為充分[13]，基于復(fù)合材料磨削機(jī)理而提出的“以磨代銑”工藝在復(fù)合材料加工領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛[14]。

針對狹窄空間內(nèi)復(fù)合材料構(gòu)件制孔加工中的低剛度、大孔徑、多規(guī)格等難題，我們使用電鍍金剛石磨具進(jìn)行螺旋銑磨孔試驗(yàn)研究，并與硬質(zhì)合金銑刀進(jìn)行對比，研究低剛度條件下螺旋銑磨孔切削力的變化情況與特點(diǎn)，分析加工質(zhì)量的變化規(guī)律，探究適用于復(fù)合材料構(gòu)件狹窄空間內(nèi)高效制孔的工藝方法。

1 被加工復(fù)合材料特點(diǎn)

被加工材料為上下表面貼覆有耐燒蝕層的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。耐燒蝕層質(zhì)軟，直接通過環(huán)氧樹脂與復(fù)合材料粘接，用以保護(hù)其不被燒傷。

圖1 被加工材料結(jié)構(gòu)

由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高耐磨性與低導(dǎo)熱性，加工中易出現(xiàn)刀具磨損；同時(shí)，由于纖維材料的高強(qiáng)度，加工產(chǎn)生的切削力也較大。此外，材料的表層為質(zhì)軟的耐燒蝕層，在制孔加工時(shí)，由于切削刃連續(xù)切削導(dǎo)致難以斷屑，使得工件在入口處易產(chǎn)生由于塑性變形所導(dǎo)致的毛刺缺陷，影響構(gòu)件的裝配性能。

基于以上加工難點(diǎn)，我們提出采用基于“微刃切削”原理的“以磨代銑”螺旋銑磨孔加工工藝，旨在通過結(jié)合多種新型方法和原理，實(shí)現(xiàn)低剛度約束條件下的高質(zhì)高效制孔加工。

2 金剛石磨具螺旋銑磨制孔原理

2.1 基于多微刃的復(fù)合材料磨削原理

由于復(fù)合材料具有耐磨、高硬度、各向異性與低導(dǎo)熱性的特點(diǎn)，普通刀具在連續(xù)切削過程中切削力易產(chǎn)生較大的變化，纖維硬質(zhì)點(diǎn)的連續(xù)磨損與切削區(qū)域的高溫，還會(huì)帶來刀具的快速磨損[15]。針對以上的連續(xù)切削問題，“微刃切削”原理提出采用多切削刃斷續(xù)切削的方法來進(jìn)行復(fù)合材料的加工。

“微刃切削”原理如圖2所示，其切削加工區(qū)域較普通切削小很多，因此切削力更低，散熱性更好。此外，由于切削區(qū)域較小，一次切削的纖維束較少，因此在纖維鋪層角大于90°時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的纖維撕裂分層缺陷，使其對于纖維方向的敏感性大大降低，避免產(chǎn)生較大的加工缺陷。

圖2 “微刃切削”原理示意圖

基于“微刃切削”原理，近年來提出以磨削加工代替?zhèn)鹘y(tǒng)銑削加工的銑磨工藝方法，其切削原理如圖3所示。其中砂輪旋轉(zhuǎn)方向與工件進(jìn)給方向相反，a為砂輪切深，ds為砂輪直徑，vs為砂輪旋轉(zhuǎn)線速度，vw為工件進(jìn)給速度。

圖3 磨粒切削原理示意圖

單顆磨粒的磨粒切深hm表示為：

(1)

電鍍金剛石磨具直徑ds為10 mm，取連續(xù)切削刃間距L為10 mm，并選用3000 r/min 主軸轉(zhuǎn)速，取工件進(jìn)給速度vw為 300 mm/min，砂輪切深a為 0.3 mm，計(jì)算得單顆磨粒切深hm為11 μm，而常用碳纖維絲直徑通常在7 μm左右，證明磨削加工符合“微刃切削”原理。更進(jìn)一步，單顆磨粒甚至可以僅對單根碳纖維絲進(jìn)行切削。因此相較普通毫米級微刃銑刀，砂輪磨削加工大幅縮小了切削區(qū)域，進(jìn)一步降低了加工產(chǎn)生的切削力與加工損傷。此外，在砂輪制備時(shí)，磨粒群在砂輪表面的高度不一致，使單個(gè)磨粒切削所產(chǎn)生的缺陷可以被后續(xù)磨粒修復(fù)，從而降低加工損傷對加工質(zhì)量的影響[16]。

2.2 螺旋銑孔加工原理

螺旋銑孔方法是一種基于偏心銑削加工原理的制孔工藝方法，與鉆削加工有著完全不同的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡和加工原理，其示意圖如圖4所示：加工過程主要由刀具主軸的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和刀具繞孔軸線的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成，刀具按照螺旋線軌跡進(jìn)行銑削加工。

圖4 螺旋銑孔加工示意圖

相較于傳統(tǒng)鉆削加工，螺旋銑孔加工在軸向切削力、分層缺陷抑制、刀具壽命等方面有著明顯優(yōu)勢，其對比如圖5所示：螺旋銑孔的偏心加工形式，在加工大直徑孔(如套料加工)時(shí)，材料的去除量相比鉆削加工大大減少，同時(shí)由于采用了銑削加工的方式，避免了鉆削加工中橫刃對軸向力的影響。

圖5 螺旋銑孔與鉆削加工對比示意圖

從圖5中可以看出：鉆削加工中橫刃切削速度很低、切削阻力較大，鉆削的軸向切削力增加明顯；同時(shí)，由于橫刃切削效果差、軸向力大，易導(dǎo)致復(fù)合材料的分層和撕裂缺陷。相較之下，螺旋銑孔加工除了軸向切削力更低、缺陷更少之外，排屑性能也更好，在加工時(shí)摩擦阻力更小，減少了切削熱的產(chǎn)生，避免了高溫對樹脂基體的燒傷和對刀具磨損的影響。

3 試驗(yàn)條件與過程

3.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)使用立式加工中心(主軸轉(zhuǎn)速0～12 000 r/min，最大功率7.5 kW)。銑削力信號采集系統(tǒng)由三向測力儀、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集器等組成。試驗(yàn)裝置如圖6所示：利用三向測力儀對軸向切削力Fn、X方向徑向力Fx，Y方向徑向力Fy進(jìn)行采集，并將徑向切削力向量擬合為Fr。

圖6 試驗(yàn)裝置

3.2 試驗(yàn)材料與工具

試驗(yàn)所用刀具為硬質(zhì)合金銑刀、電鍍金剛石磨具，直徑D=8 mm，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)刀具

試驗(yàn)材料為纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，材料上下表面覆有耐燒蝕層，上表面材料質(zhì)軟，在刀具切入時(shí)易產(chǎn)生起皮毛刺現(xiàn)象，材料厚度為20 mm。

3.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)加工方式為干式加工，表1為切削試驗(yàn)條件。

表1 切削試驗(yàn)條件

由于研究的制孔加工裝置受空間限制，其結(jié)構(gòu)剛度較小，為控制加工過程工藝系統(tǒng)變形，設(shè)計(jì)要求孔加工最大切削力約束在60 N以內(nèi)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 切削力分析

(1)切削力高頻波形曲線

圖8為相同工藝參數(shù)下，金剛石磨具與硬質(zhì)合金銑刀加工復(fù)合材料時(shí)，徑向切削力的高頻變化波形曲線。

從圖8中可以看出：金剛石磨具進(jìn)行加工時(shí)，由于“微刃切削”原理，磨粒在切削時(shí)的切削厚度相對較小，在材料內(nèi)部有缺陷或材料性質(zhì)不均勻時(shí)，單位面積的應(yīng)力集中大大減小，切削力更穩(wěn)定。因此，金剛石磨具加工的切削力波形呈現(xiàn)較為規(guī)律的正弦變化。而硬質(zhì)合金刀具由于其銑削特性，受刀具刃磨、材料性質(zhì)等外部因素影響較大，導(dǎo)致其切削力波形出現(xiàn)了拐點(diǎn)尖銳、曲線不平滑、幅值波動(dòng)大的現(xiàn)象，其加工穩(wěn)定性不如金剛石磨具的。

(a) 金剛石磨具

(b) 硬質(zhì)合金銑刀

從圖8中還可以看到：金剛石磨具加工的磨削力最大值小于硬質(zhì)合金銑刀的銑削力最大值，且相差30%左右。除上述提到的切削厚度較小這一原因外，磨粒的微刃切削寬度也小于銑削加工，因此切削面積遠(yuǎn)小于銑削加工的切削寬度，切削力大大降低。

(2)工藝參數(shù)對切削力的影響

2種刀具加工復(fù)合材料時(shí)主軸轉(zhuǎn)速對加工最大軸向力和最大徑向力的影響如圖9所示。

圖9 主軸轉(zhuǎn)速對最大切削力的影響

從圖9中可以看出：隨主軸轉(zhuǎn)速增大，硬質(zhì)合金銑刀加工的最大切削力呈下降趨勢。這是由于主軸轉(zhuǎn)速升高后，切削溫度增加，摩擦系數(shù)減小，從而使刀具前刀面與切屑的平均摩擦角減小，剪切角增大，導(dǎo)致加工時(shí)的最大切削力減小；而金剛石磨具加工的最大切削力則呈現(xiàn)低速加工時(shí)降低明顯，高速加工時(shí)變化較小的趨勢。低速加工時(shí)金剛石磨具最大切削力較大的原因是單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)量較少，每個(gè)磨粒的切削厚度較大，導(dǎo)致切削力較大；而高速加工時(shí)，金剛石磨具的磨削加工已經(jīng)是高速或超高速磨削加工，單個(gè)磨粒的切削厚度極低，磨屑的形成時(shí)間極短，因此在切削速度到達(dá)一定程度后，由于邊際效應(yīng)，切削厚度對于總切削力的影響變小，此時(shí)再提高切削速度，對降低切削力的影響就不再明顯。

在本試驗(yàn)中，同等工藝參數(shù)條件下，雖然提高硬質(zhì)合金刀具加工的主軸轉(zhuǎn)速可以降低切削力，但最大徑向力仍無法降到低剛度約束條件的60 N以下；而金剛石磨具加工由于切削力降低明顯，在轉(zhuǎn)速4000 r/min時(shí)就可以完全滿足低剛度約束條件。

2種刀具加工復(fù)合材料時(shí)螺距對于最大軸向力和最大徑向力的影響如圖10所示。

圖10 螺距對最大切削力的影響

從圖10中可以看出：2種刀具加工的最大切削力均隨螺距的增大而增大。這是由于螺距增大，材料的切削深度增加，切削面積增大，其彈塑性變形及切削摩擦力增大，從而導(dǎo)致最大切削力增大。雖然金剛石磨具的切削力受螺距影響的變化趨勢與硬質(zhì)合金銑刀的切削力變化趨勢一致，但在最大切削力數(shù)值上始終較硬質(zhì)合金銑刀的切削力更低。

結(jié)合切削力絕對值分析，在試驗(yàn)切削條件下，金剛石磨具在螺距小于0.8 mm時(shí)可以滿足試驗(yàn)設(shè)定的低剛度約束條件；而硬質(zhì)合金銑刀則在螺距大于0.4 mm后，就已經(jīng)無法滿足低剛度約束條件。在同樣的低剛度約束條件下，加工厚度為20 mm的試件，硬質(zhì)合金銑刀所需時(shí)間較金剛石磨具所需時(shí)間長近一倍。由此看來，金剛石磨具在低剛度約束條件下加工復(fù)合材料，不僅切削力更低、加工更穩(wěn)定，加工效率也更高。

4.2 加工質(zhì)量分析

圖11為不同工藝參數(shù)下，金剛石磨具與硬質(zhì)合金銑刀對復(fù)合材料進(jìn)行螺旋銑加工的加工質(zhì)量對比。

(a)電鍍金剛石磨具(b)硬質(zhì)合金銑刀圖11 加工質(zhì)量對比

從圖11中可以看出：硬質(zhì)合金銑刀加工的孔，入口出現(xiàn)明顯毛邊現(xiàn)象，而金剛石磨具則幾乎無毛邊產(chǎn)生。在硬質(zhì)合金銑刀加工過程中，刀具進(jìn)行連續(xù)切削，軟性表層材料的切屑過長，在斷屑時(shí)產(chǎn)生塑性變形，部分切屑?xì)埩粼谝鸭庸け砻孢吘?，?dǎo)致毛刺產(chǎn)生，且由于軟性材料韌性較強(qiáng)，無法通過多次走刀去除毛邊，因此產(chǎn)生明顯缺陷；金剛石磨具由于采用“微刃切削”機(jī)理進(jìn)行加工，磨粒單次切削形成的切屑極小，避免了軟性材料切屑過長導(dǎo)致的塑性變形，從根本上抑制了毛邊的形成，從而得到了較好的入口質(zhì)量。

除了入口質(zhì)量外，磨削加工相較于銑削加工，切削區(qū)域較小，對材料內(nèi)部缺陷與不均性的適應(yīng)性更好，對纖維方向的敏感度更低，因此對于加工缺陷的抑制更好，從而使得孔壁的加工質(zhì)量更好；同時(shí)，金剛石磨具加工過程中并未產(chǎn)生常見的砂輪磨削時(shí)由于排屑不暢所導(dǎo)致的樹脂基體燒傷缺陷，證明金剛石磨具加工此復(fù)合材料較為可行。

5 結(jié)論

基于“微刃切削”原理，使用電鍍金剛石磨具螺旋銑磨復(fù)合材料，并同硬質(zhì)合金刀具螺旋銑孔加工進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)：

(1)螺旋銑磨制孔加工的切削區(qū)小，切削力波動(dòng)小、峰值低；加工缺陷少、質(zhì)量高。

(2)試驗(yàn)條件下，金剛石磨具在螺距0.8 mm以下、主軸轉(zhuǎn)速4 000 r/min以上時(shí)，最大切削力低于60 N，滿足低剛度約束條件；且加工效率較同等約束條件下的硬質(zhì)合金銑刀的效率高約一倍，對加工工藝參數(shù)的寬容度更高，適宜用于復(fù)合材料的制孔加工。

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