cfrp鏜削切削力試驗(yàn)研究

0金剛石刀具切削碳纖維材料（cfrp）具有強(qiáng)度高、硬度高、抗疲勞性能好、耐磁性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其強(qiáng)度高，耐熱性低。因此，在切割和加工過程中，刀體嚴(yán)重磨損。層壓結(jié)構(gòu)和折疊結(jié)構(gòu)在孔內(nèi)尤其顯著。文獻(xiàn)指出，鉆削力的大小直接影響孔的質(zhì)量。有研究表明,采用金剛石刀具切削能夠有效地減小切削力,進(jìn)而提高材料表面的加工質(zhì)量。考慮到鉆削時(shí)切削條件惡劣,切屑不易排出,切削熱量難以散失導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重,使孔的加工質(zhì)量不高,本文采用鏜削加工,利用超硬PCD刀具對(duì)CFRP進(jìn)行了切削試驗(yàn),對(duì)比不同的切削用量對(duì)切削力及孔出口撕裂大小的影響,并對(duì)三向切削力進(jìn)行擬合,以期得出對(duì)生產(chǎn)實(shí)際具有指導(dǎo)作用的切削力與切削用量三要素之間的經(jīng)驗(yàn)公式。1復(fù)合材料的制備切削試驗(yàn)在CA6140普通車床上進(jìn)行,采用瑞士產(chǎn)Kistler9257B測(cè)力儀、Kistler5807A電荷放大器和計(jì)算機(jī)組成的切削力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行三向切削力的測(cè)量。所用的工件為熱壓成型的樹脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。在材料的壓實(shí)過程中,為了減少層間孔隙,在加熱加壓的同時(shí)注入樹脂材料,使塑性樹脂在纖維層間流動(dòng)以達(dá)到減少孔隙的目的。經(jīng)檢測(cè),制得的板材孔隙率為1.5%,密度為1.65g/cm3,具體的其他參數(shù)如表1所示。所采用的刀具為PCD鏜刀(將PCD刀片焊接在高速鋼刀桿的前端),具體的幾何參數(shù)為:前角γo=0°,后角αo=10°,主偏角кr=40°,副偏角кr′=10°,刀尖圓弧半徑rε=0.4mm,切削過程中無切削液。為了研究切削用量對(duì)切削力及孔出口撕裂的影響,本文分別對(duì)切削速率、進(jìn)給量和切削深度進(jìn)行了單因素試驗(yàn),采集的切削力數(shù)據(jù)有:進(jìn)給力(Fx)、背向力(Fy)、主切削力(Fz)。具體的切削用量如表2所示。2結(jié)果與分析2.1切削碳纖維的強(qiáng)度如圖1所示,隨背吃刀量的增加,三向切削力呈增大趨勢(shì),這一規(guī)律與切削普通金屬材料時(shí)相同。與切削金屬相比,切削CFRP時(shí),背吃刀量對(duì)切削力的影響并不成正比關(guān)系。這是因?yàn)镃FRP是由高強(qiáng)度高硬度的碳纖維增強(qiáng)體和質(zhì)軟的樹脂基體復(fù)合而成的,由于兩者的強(qiáng)度極限相差甚大,所以在切削樹脂時(shí)的切削力要比切削碳纖維小得多,故而背吃刀量與切削力不成正比。從圖2可以看出,加工CFRP時(shí)進(jìn)給量對(duì)切削力的影響趨勢(shì)與加工普通金屬材料時(shí)是類似的。進(jìn)給量增大,切削力也隨之增大。從圖3可看出,隨切削速率的提高,切削力整體上呈增大趨勢(shì)。當(dāng)切削速率提高時(shí),被加工材料的應(yīng)變率及應(yīng)變量增大,進(jìn)而使材料的屈服應(yīng)力也跟著增大。從圖1～圖3還可以看出,由于所用刀具的刀尖圓弧半徑較大(rε=0.4mm),致使Fy>Fz。當(dāng)采用小的刀尖圓弧半徑(rε=0.08mm)時(shí),依表2的切削用量鏜削加工CFRP時(shí)出現(xiàn)了主切削力大于背向力的情況(刀具的其他幾何參數(shù)與本文的相同)。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)都鈭A弧半徑較大時(shí),刀尖部分“變鈍”,刀具對(duì)工件的擠壓作用大于剪切作用,而小的圓弧半徑使刀具更加鋒利,切削時(shí)不易產(chǎn)生振動(dòng)。2.2切割力調(diào)整2.2.1-b其法計(jì)算根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,切削力與切削用量之間的關(guān)系為F=Kapxfyvcn式中,F為切削力,K為系數(shù),ap為背吃刀量,f為進(jìn)給量,vc為切削速率。根據(jù)文獻(xiàn)可得出系數(shù)K及切削用量的指數(shù)的公式:X=(BTB)-1BTY式中,X=(lnK,x,y,n)TX=(lnΚ,x,y,n)Τ,B=(1,lnap,lnf,lnvc)B=(1,lnap,lnf,lnvc),通過上述計(jì)算,得到如下三個(gè)分力公式:Fx=2.0668ap0.6226f0.2363vc0.9774Fy=4.9377ap0.2741f0.1443vc0.6947Fz=24.2491ap0.5668f0.6670vc0.6457Fx=2.0668ap0.6226f0.2363vc0.9774Fy=4.9377ap0.2741f0.1443vc0.6947Fz=24.2491ap0.5668f0.6670vc0.64572.2.2主切削力fz與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比把表2中的數(shù)據(jù)分別代入以上三個(gè)分力公式得到三向力的理論值,將其與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比圖如圖4所示(這里僅列出主切削力Fz的對(duì)比圖)。從圖4可以看出主切削力Fz的實(shí)驗(yàn)值與理論值很接近,這說明Fz與切削用量三要素之間的關(guān)系式擬合得較好。2.3出口側(cè)材料因數(shù)CFRP材料的難加工特性之一就是,當(dāng)對(duì)其進(jìn)行切削加工時(shí)孔出口側(cè)材料由于受到刀具的擠壓作用會(huì)出現(xiàn)撕裂等缺陷。撕裂是沿孔出口側(cè)最外層纖維方向伸展,這對(duì)碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件實(shí)際使用中的負(fù)面影響較大,所以對(duì)孔出口缺陷的研究以撕裂為主。2.3.1撕裂大小的撕裂以孔兩側(cè)沿纖維方向孔直徑部位最大,如圖5所示,撕裂大小取這兩撕裂尺寸的和,考慮到鏜削加工后孔的尺寸不同,所以將撕裂尺寸的和與孔的名義直徑的比值(命名為撕裂因子S)作為撕裂大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)。即S=l1+l2DS=l1+l2D2.3.2加工cfrp時(shí)孔出口撕裂程度隨程序要求的變化情況從圖6中可以看出,當(dāng)背吃刀量從ap=0.1～0.36mm的整個(gè)變化過程中,撕裂因子基本保持在0.16左右,這說明背吃刀量對(duì)撕裂因子基本沒有影響。從圖7可看出,隨著進(jìn)給量的增加,孔出口撕裂因子呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)?在刀具即將切出孔時(shí),由于待切除材料很薄,而且CFRP的層間強(qiáng)度很低,最外層纖維對(duì)刀具的擠壓作用比較敏感,所以采用大的進(jìn)給量會(huì)使出口側(cè)纖維撕裂尺寸變大。從圖8中可以看出,撕裂因子隨著切削速率的提高呈減小趨勢(shì),當(dāng)切削速率大于v=24.54m/min時(shí),撕裂因子基本不變。這是因?yàn)殡S著切削速率的提高,變形系數(shù)減小,在刀具即將切出孔時(shí),出口側(cè)最外層的材料由于來不及沿纖維方向擴(kuò)展形成撕裂而被刀具切除;由于CFRP是脆性材料,當(dāng)切削速率繼續(xù)增大時(shí),變形系數(shù)變化不明顯,因而撕裂因子基本不變。從以上分析可知,提高切削速率能夠減小孔出口撕裂程度,但切削速率不能太大,否則容易引起材料開裂,這對(duì)材料本身的性能將產(chǎn)生影響。在文獻(xiàn)中,作者采用Φ5.5mm的硬質(zhì)合金四平面鉆尖鉆頭對(duì)多向CFRP進(jìn)行了鉆削加工試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)撕裂值隨著機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的提高、進(jìn)給速率的減小而減小。當(dāng)n=24kr/min,vf=24.0mm/min時(shí),撕裂值為0.5mm(換算成撕裂因子為0.09),而在n<10kr/min,采用vf=24.0～120.8mm/min時(shí),撕裂值都大于1mm(換算成撕裂因子為0.18),也就是說要想獲得較小的撕裂因子就必須提高機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速或減小進(jìn)給速率,而減小進(jìn)給速率會(huì)降低加工效率。在進(jìn)給量方面,撕裂值與進(jìn)給量成線性正相關(guān),當(dāng)f=0.04mm/r時(shí),撕裂值為4.66mm(換算成撕裂因子為0.85),這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本文進(jìn)行的鏜削加工后的數(shù)據(jù)。在鉆頭直徑方面,撕裂值隨鉆頭直徑的增大而增大,采用Φ6mm的硬質(zhì)合金鉆頭,n=3kr/min,小的進(jìn)給速率vf=24mm/min加工CFRP后的撕裂值為4mm(換算成撕裂因子為0.73)。綜上考慮,在CFRP上制孔時(shí),可以先采用小直徑的硬質(zhì)合金鉆頭鉆孔,在此基礎(chǔ)上再用PCD刀具對(duì)其進(jìn)行鏜削擴(kuò)孔,這既能減小機(jī)床消耗功率同時(shí)還能保證孔出口加工質(zhì)量。需要說明的是,本文采用的是無墊板鏜削。在對(duì)CFRP進(jìn)行孔加工時(shí),孔出口出現(xiàn)撕裂的根本原因是在刀具即將切出孔時(shí),由于出口側(cè)的纖維層已很薄,承載能力較差,再加上纖維層間強(qiáng)度較低,當(dāng)?shù)毒卟粔蜾h利或者切削參數(shù)不合理時(shí),刀具對(duì)材料的擠壓作用使得最外側(cè)材料沿纖維方向擴(kuò)展而形成撕裂。因此,在結(jié)構(gòu)件敞開的情況下,可以在復(fù)合板出口側(cè)添加墊板以提高其承受強(qiáng)度,故在同等切削條件下,采用增加墊板的方法能夠使孔出口側(cè)的撕裂程度減小。但是在復(fù)合板的實(shí)際應(yīng)用中,有些產(chǎn)品受結(jié)構(gòu)的影響無法在出口側(cè)增加墊板,因此基于這樣的考慮,本文進(jìn)行了無墊板鏜削試驗(yàn)。3向力公式結(jié)果分析(1)隨著背吃刀量與進(jìn)給量的增大,三向切削力增加;當(dāng)切削速率增大時(shí),三向切削力整體上呈增加的趨勢(shì);(2)較大的刀尖圓弧半徑導(dǎo)致背向力最大,主切削力次之,軸向力最