劉啟抱 潘 韻 李朋欣 賈書(shū)躍 孫二龍

（1 上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112）

（2 上海航天樹(shù)脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

0 引言

本文中短切碳纖維/酚醛是以具有特定長(zhǎng)度的黏膠基碳纖維為增強(qiáng)體，以氨酚醛樹(shù)脂為基體，經(jīng)過(guò)高溫固化形成的復(fù)合材料。該類(lèi)制品具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、耐燒蝕特點(diǎn)［1］，其經(jīng)過(guò)機(jī)械加工，可形成各種可滿(mǎn)足使用的輪廓，因此在戰(zhàn)術(shù)武器領(lǐng)域的耐燒蝕部件中廣泛應(yīng)用。隨著對(duì)復(fù)合材料制品的加工和檢測(cè)能力的提升，對(duì)短切碳纖維/酚醛制品經(jīng)機(jī)械加工以后的表面質(zhì)量提出了新的要求［2］。因此，需要對(duì)機(jī)械加工的表觀(guān)質(zhì)量影響因素進(jìn)行研究，以獲得最佳表觀(guān)質(zhì)量的加工參數(shù)。

復(fù)合材料制品與金屬制品的材料特性不同，因此兩者的表面粗糙度的測(cè)量方式有所差異，2D 測(cè)量已無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)量要求［3］。學(xué)者們通過(guò)研究加工缺陷的形成過(guò)程和3D 測(cè)量分析機(jī)理，對(duì)復(fù)合材料的表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)。艾傳智等［4-5］通過(guò)開(kāi)展C/C 和C/Ph復(fù)合材料的加工表面缺陷研究，通過(guò)對(duì)比2D和3D研究，得到了C/C復(fù)合材料的三維測(cè)量評(píng)定方法。何維軍等［6］應(yīng)用分形、小波理論，以加工表面SEM 灰度圖像為研究對(duì)象，對(duì)CFRP 加工表面形貌特征進(jìn)行研究，得到了CFRP 的三維測(cè)量評(píng)定方法。通過(guò)3D 表面粗糙度的測(cè)量已在多種材料表面質(zhì)量的試驗(yàn)中得到應(yīng)用，但鮮有在本文中涉及材質(zhì)的相關(guān)應(yīng)用。

本文以PCD 刀具車(chē)削加工短切碳纖維/酚醛復(fù)合材料的表觀(guān)質(zhì)量為研究對(duì)象，開(kāi)展正交試驗(yàn)，采用3D 測(cè)量技術(shù)，研究切削三要素和刀尖圓弧半徑對(duì)工件加工質(zhì)量的影響。通過(guò)Design Expert軟件，對(duì)加工因素的顯著性進(jìn)行分析，獲得顯著因素和最佳加工因素組合，最后利用加工驗(yàn)證試驗(yàn)和預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證兩種方式，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

1 正交試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)選用的工件材料為短切碳纖維（T300）氨酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料，彎曲強(qiáng)度≥88 MPa，壓縮強(qiáng)度≥128 MPa，氧乙炔燒蝕率≤0.045 mm/s，纖維（60±5）vol%，試驗(yàn)件規(guī)格Φ20 mm×200 mm。

1.2 設(shè)備

本次試驗(yàn)采用寶雞機(jī)床SK50P 機(jī)床，見(jiàn)圖1。選用日本NTK 的CCGW09T302-2 型PCD 數(shù)控刀片開(kāi)展切削試驗(yàn)，見(jiàn)圖2。刀具參數(shù)如表1所示。

圖1 加工用機(jī)床Fig.1 Machining tool used in processing

圖2 加工用刀具Fig.2 Tool used in the machining process

表1 刀具幾何參數(shù)Tab.1 Tool geometry parameters

采用Alicona Imaging GmbH 公司生產(chǎn)，型號(hào)為A-8074的3D微觀(guān)表面測(cè)量設(shè)備，對(duì)加工后表面的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選用SK50P 數(shù)控車(chē)床，切削條件為干式，車(chē)削加工。由于切削三要素和刀尖圓弧是主要影響因素，所以選擇切削速度v、進(jìn)給量f、背吃刀量ap和刀尖圓弧半徑r按四水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平表如表2所示，選擇L16（45）正交表，其中最后一列按空列開(kāi)展正交分析。為了減少測(cè)量誤差，每個(gè)參數(shù)測(cè)3組取平均值。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.2 Factors and level of orthogonal test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)的原則，共開(kāi)展16 組不同加工參數(shù)下的正交加工試驗(yàn)，測(cè)量每一組加工后的表面粗糙度3次取平均值，見(jiàn)表3。通過(guò)正交試驗(yàn)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四個(gè)因素在給定顯著性水平α=0.05 下的顯著性影響從大到小依次為：刀尖圓弧r（2.389）、進(jìn)給量f（1.113）、切削速度v（0.389）、切削深度ap（0.109），且r和f的顯著性F比超過(guò)1，因此為顯著性因素，其余兩個(gè)為不顯著因素。獲得最小表面粗糙度的組為v=160 r/min，f=0.15 mm/r，ap=0.6 mm，r=0.6 mm。對(duì)每種材料的加工均值進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，繪制單個(gè)因素對(duì)應(yīng)下的表面粗糙度表，并對(duì)變形趨勢(shì)及產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

表3 正交試驗(yàn)及結(jié)果Tab.3 Orthogonal test and the result

2.1.1 切削速度對(duì)表面粗糙度影響

從圖3可以看出，隨著切削速度的增加，表面粗糙度呈增大趨勢(shì)，且曲線(xiàn)較為平緩，說(shuō)明該種材質(zhì)的材料在本試驗(yàn)條件下的切削速度對(duì)表面粗糙度的影響變化不大。

圖3 切削速度與表面粗糙度關(guān)系Fig.3 Relationship between the cutting speed and the surface roughness

2.1.2 進(jìn)刀量對(duì)表面粗糙度影響

從圖4可以看出，隨著進(jìn)給量的增大，表面粗糙度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，曲線(xiàn)變化由先平滑，后急速上升的情況。說(shuō)明表面粗糙度隨著進(jìn)給量的增加，呈逐漸增大趨勢(shì)，且后期的增大趨勢(shì)加劇。

圖4 進(jìn)給量與表面粗糙度關(guān)系Fig.4 Relationship between the feed rate and the surface roughness

以圖5（第14 組試驗(yàn)照1）為例，隨著進(jìn)給量的增大，相鄰兩個(gè)波峰或者波谷的寬度增大，隨著寬度的增大，原本有加工重疊的部分逐漸變小，從而導(dǎo)致表面粗糙度增大。至于當(dāng)增大到一定程度后，出現(xiàn)急劇變化的情形，筆者認(rèn)為跟材料的可加工性相關(guān)，非金屬材料的表觀(guān)與有色金屬材料不同，材料本體表面抗拉伸強(qiáng)度不大，因此大的進(jìn)給量可以導(dǎo)致表面裂紋出現(xiàn)，導(dǎo)致表面粗糙度急劇增大。

圖5 表觀(guān)形貌Fig.5 Surface topography

2.1.3 切削深度對(duì)表面粗糙度影響

從圖6可以看出，隨著切削深度的增大，表面粗糙度呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)，且變化范圍較小，說(shuō)明切削深度對(duì)表面粗糙度的影響較小。這是因?yàn)榍邢魃疃扔绊懽畲蟮牟牧系拇庸け砻?，而待加工表面是?jīng)過(guò)車(chē)削加工過(guò)程逐漸消失的，且切屑是粉末狀的，對(duì)材料的本體的擠壓影響較小。

圖6 切削深度與表面粗糙度關(guān)系Fig.6 Relationship between the cutting depth and the surface roughness

2.1.4 刀尖圓弧對(duì)表面粗糙度影響

從圖7可以看出，隨著刀尖圓弧的增大，表面粗糙度呈逐漸減小的趨勢(shì)，且減小的趨勢(shì)較明顯。說(shuō)明刀尖圓弧半徑對(duì)加工的影響較大，而且是刀尖圓弧半徑越大，表面粗糙度越小，這與有色金屬加工有著明顯的不一致。非金屬的切屑屬于破碎的粉末，加工過(guò)程中刀尖對(duì)材料的擠壓區(qū)域?qū)σ鸭庸け砻娴膲毫ο鄬?duì)較小，影響加工后的表面粗糙度的主要影響就是刀尖圓弧半徑。如圖8所示，在其他加工要素相同的情況下，R1刀具車(chē)削以后的表面殘留高度h1明顯小于R2對(duì)應(yīng)的車(chē)削后的殘留高度h2。

圖7 刀尖圓弧與表面粗糙度關(guān)系Fig.7 Relationship between the tips and the surface roughness

圖8 不同刀尖圓弧下的殘留高度對(duì)比Fig.8 Comparison of residual height with different tool tips

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 預(yù)測(cè)模型對(duì)顯著性因素的驗(yàn)證

為了有效預(yù)測(cè)車(chē)削短切碳纖維/酚醛復(fù)合材料制品加工后的表面粗糙度，需建立加工要素對(duì)表面粗糙度的關(guān)系。假設(shè)表面粗糙度是4 個(gè)獨(dú)立變量的指數(shù)函數(shù)，其函數(shù)公式可表示為：

式中，C0為常數(shù)。

采用最小二乘法的原理，對(duì)預(yù)測(cè)模型（1）的回歸系數(shù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，也就是：

式中，B為回歸系數(shù)的參數(shù)估計(jì)，X為獨(dú)立變量矩陣，Y為表面粗糙度矩陣。

將各矩陣的數(shù)值輸入矩陣處理軟件進(jìn)行計(jì)算，得到如下結(jié)果：

由表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式可知，對(duì)該種復(fù)合材料制品的表面粗糙度主要影響因素是刀尖圓弧和進(jìn)給量，切削速度和切削深度的影響較小，由此可以判定，正交試驗(yàn)對(duì)顯著性因素的結(jié)論是準(zhǔn)確的。

2.2.2 加工試驗(yàn)對(duì)加工參數(shù)的驗(yàn)證

基于正交試驗(yàn)獲得的最佳加工參數(shù)為v=160 r/min、f=0.15 mm/r、ap=0.6 mm、r=0.6 mm，將該組參數(shù)在同樣的試驗(yàn)條件下開(kāi)展加工試驗(yàn)，并對(duì)加工后的表面用同樣方法測(cè)量加工后的表面粗糙度，所獲得表面粗糙度為Ra=0.39 μm。這個(gè)值小于正交試驗(yàn)中的所有的表面粗糙度測(cè)量值，由此可以判定，正交試驗(yàn)對(duì)最佳參數(shù)的結(jié)論是準(zhǔn)確的。

3 結(jié)論

本文通過(guò)PCD 刀具車(chē)削加工短切碳纖維/酚醛制品的正交試驗(yàn)，研究了切削速度、進(jìn)給量、切削深度、刀尖圓弧半徑4 個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)表面質(zhì)量的影響，并通過(guò)建立預(yù)測(cè)模型及驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1）正交試驗(yàn)的均值分析發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度和進(jìn)給量的增大，表面粗糙度逐漸增大，隨著切削深度和刀尖圓弧半徑的增大，表面粗糙度逐漸變??；

（2）通過(guò)正交切削試驗(yàn)顯著性分析發(fā)現(xiàn)，在給定顯著性水平α=0.05 下的加工影響因素從大到小依次為：刀尖圓弧r、進(jìn)給量f、切削速度v、切削深度ap，且r、f兩個(gè)因素為顯著性因素。同時(shí)獲得的最佳加工件參數(shù)為v=160 r/min，f=0.15 mm/r，ap=0.6 mm，r=0.6 mm；

（3）通過(guò)加工試驗(yàn)對(duì)加工參數(shù)的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在正交試驗(yàn)加工相對(duì)應(yīng)的Ra=0.39 μm，其值小于正交試驗(yàn)中的所有表面粗糙度值；

（4）通過(guò)最小二乘法獲得的預(yù)測(cè)模型判斷發(fā)現(xiàn)，刀尖圓弧和進(jìn)給量對(duì)加工表觀(guān)質(zhì)量的影響較大，切削深度對(duì)加工表觀(guān)質(zhì)量的影響較小，與正交試驗(yàn)的結(jié)論基本一致。