表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP銑削加工性能研究*

上海飛機制造有限公司航空制造技術(shù)研究所先進復(fù)合材料制造中心 龔佑宏 韓 舒 楊霓虹

南 京 航 空 航 天 大 學(xué) 機 電 學(xué) 院 韓勝超 周井文 陳 燕

隨著碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）性能的不斷提高，其在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用也越來越廣泛。由于CFRP導(dǎo)電性能比金屬差，當飛機遭到雷擊時，難以將高能量的電流傳導(dǎo)出去，從而導(dǎo)致大能量的聚集，破壞材料結(jié)構(gòu)進而影響飛機的安全性能，因此必須對飛機復(fù)合材料部件進行有效的雷擊防護[1]。

表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP是一種新型防雷擊材料，它將表面膠膜和導(dǎo)電金屬網(wǎng)結(jié)合為一體，使用中將其鋪設(shè)在有防雷擊要求的CFRP外表面，通過導(dǎo)電金屬網(wǎng)將雷擊電流傳遞到機體放電部位即可達到良好雷擊防護效果。目前，CFRP制件的成形主要運用近凈成形技術(shù)，但為了裝配等需要成形后仍需進行2次機械加工，如銑邊、鉆孔等[2]。由于CFRP屬于非金屬材料，銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)中金屬材料的加入一定程度上改變了其切削加工性能。國內(nèi)外學(xué)者已在CFRP切削性能方面做了一些研究，但對此種新型表面銅網(wǎng)CFRP的切削加工性能研究卻非常有限。Redouane Zitoune等研究了表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP的鉆削加工性能，發(fā)現(xiàn)相比于普通CFRP，表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP更不易產(chǎn)生分層缺陷[3]。

為了探究表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP的銑削加工性能，設(shè)計并進行了一組兩因素三水平的全因素試驗，通過試驗得到了主軸轉(zhuǎn)速和進給速度對切削力和切削質(zhì)量的影響規(guī)律，對刀具的磨損形式進行了分析。

1 試驗方案

試驗在DMG HSC 20 linear超聲輔助五軸精密加工中心上進行，該機床最大主軸轉(zhuǎn)速42000r/min，最大進給速度5m/min。試驗用表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP和金剛石涂層硬質(zhì)合金立銑刀如圖1所示，CFRP的性能參數(shù)見表1。測力系統(tǒng)為Kistler 9272測力計和5070A電荷放大器，加工表面粗糙度測量采用Mahr M1型便攜式粗糙度測量儀，測量方向為材料的厚度方向。試驗系統(tǒng)搭建如圖2所示，工件裝夾如圖3所示。

圖1 表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP試驗件和加工用立銑刀Fig.1 CFRP with copper mesh and tools

表1 CFRP層合板的規(guī)格和參數(shù)

試驗?zāi)M生產(chǎn)中的銑邊加工、銑削方式為順銑。切削參數(shù)中，軸向切深ap定為CFRP的材料厚度，考慮到CFRP的銑邊操作多屬于精加工，材料去除量較少，因此其徑向切深ae定為1mm。為探究主軸轉(zhuǎn)速和進給速度對其加工質(zhì)量的影響，設(shè)計了1組兩因素三水平的全因素試驗。試驗因素水平表如表2所示。

圖2 試驗加工和檢測系統(tǒng)Fig.2 Experimental Equipments

圖3 工件裝夾圖Fig.3 Fixation of the composites

表2 側(cè)銑性能全因素試驗水平因素表

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 切削力分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到的切削力隨切削參數(shù)變化趨勢，如圖4所示。由圖4可知，在主軸轉(zhuǎn)速12000r/min、進給速度2600mm/min以內(nèi)，主切削力最大值隨轉(zhuǎn)速增大而減小，隨進給速度增大而增大，這與傳統(tǒng)金屬切削中切削力的變化規(guī)律相同。當轉(zhuǎn)速增大時，切削溫度增高導(dǎo)致樹脂軟化，使材料更容易切削，切削力隨之減小，轉(zhuǎn)速增大時材料和刀具之間的摩擦系數(shù)也會減小，從而進一步減小切削力。此外，從圖4還可看出，進給速度越大，其切削力隨轉(zhuǎn)速的變化幅度也越大，這是由于在相同的轉(zhuǎn)速改變量下，進給速度大的與對應(yīng)的每齒進給量改變越大，每齒切削面積變化量也越大，故切削力的變化幅度也更大。

圖4 表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP切削力隨切削參數(shù)變化圖Fig.4 Variation of the cutting forces with spindle speed and feed speed

2.2 加工表面質(zhì)量分析

通過目視觀察各參數(shù)下表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP的銑削加工表面，發(fā)現(xiàn)在部分參數(shù)下出現(xiàn)了毛刺和撕裂等缺陷，再通過掃描電子顯微鏡觀察得到其表面顯微照片，如圖5所示。從圖5可看出，不同參數(shù)下的銅網(wǎng)斷面都較為整齊，因此表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)的加入對CFRP銑削表面的加工質(zhì)量沒有明顯影響。在構(gòu)成CFRP加工表面的各向纖維層斷面中，45°纖維層破壞最為嚴重，隨機分布許多因纖維束折斷或拔出而形成的空洞。主軸轉(zhuǎn)速增大時，空洞的數(shù)量增加但深度變淺，且加工表面樹脂涂覆增多，這是由于高轉(zhuǎn)速時切削速度很大，45°纖維被快速擠壓并切斷，且每次切削的纖維量較少，變形量較小，導(dǎo)致形成的空洞多而淺。此外，高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致切削液不能較好進入切削區(qū)域，引起散熱不良，樹脂軟化并涂覆在切口表面。然而隨著進給速度增大，散熱和排屑條件變得更好，加工表面樹脂涂覆也隨之減少，層間分界更加清晰。當進給速度增大時，45°纖維層的破壞也逐漸加重，空洞由淺而小變?yōu)樯疃鴱V，這是由于進給速度增大時刀具每齒切削的纖維數(shù)增多，纖維束變形量增大，故空洞加深變廣[4]。

圖5 不同參數(shù)下加工表面的電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM images of machined surfaces under different cutting parameters

圖6為加工表面粗糙度值隨切削參數(shù)的變化規(guī)律，其中3條曲線分別表示進給速度為1m/min、1.8m/min和2.6m/min 3種情況下加工表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速地變化趨勢。從圖中可看出，在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，加工表面粗糙度值隨著轉(zhuǎn)速增大呈減小趨勢，隨進給速度增大呈增大趨勢，這與電鏡照片中觀察到的加工表面形貌隨切削參數(shù)的變化規(guī)律相吻合。當主軸轉(zhuǎn)速高于8000r/min時，加工表面粗糙度值顯著降低并維持在一個相對穩(wěn)定的水平，此時主軸轉(zhuǎn)速對切口粗糙度值的影響減弱，進給速度決定了粗糙度值的大小，因此表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP的銑削加工表面粗糙度是受主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的交互綜合影響的。

圖6 表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP加工表面粗糙度值隨切削參數(shù)變化規(guī)律Fig.6 Variation of the surface roughness with spindle speed and feed speed

通過試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，毛刺缺陷的形成與每轉(zhuǎn)進給量的大小有密切關(guān)系。試驗參數(shù)中當每齒進給量大于0.033mm/z時，材料極易出現(xiàn)毛刺和撕裂；而低于這個值時，材料基本無毛刺與撕裂，這是由于每齒進給量決定了切削面積，而切削力的大小主要受切削面積的影響，當切削力大于材料基體對表層纖維的結(jié)合力時，毛刺撕裂等缺陷就很容易產(chǎn)生[5]。

由于銅有一定塑性，當銅網(wǎng)在上表面進行銑邊加工時，右旋刀具產(chǎn)生向上的軸向力將銅網(wǎng)拉離基體，導(dǎo)致銅網(wǎng)不易被切斷或在產(chǎn)生塑性變形后再被切斷，從而形成毛刺，造成質(zhì)量缺陷。為抑制毛刺的產(chǎn)生，將銅網(wǎng)面置于下方進行加工，此時軸向力將銅網(wǎng)向CFRP基體側(cè)壓迫，能夠較好地切斷銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)，斷面整齊，無質(zhì)量缺陷。

2.3 刀具磨損分析

由于碳纖維硬度很高，切削過程中形成的硬質(zhì)粉末狀切屑對刀具有很強的磨損作用，因此生產(chǎn)中通常使用PCD刀具或者金剛石涂層刀具加工CFRP。通過三維視頻顯微鏡觀察使用后刀具的磨損情況如圖7所示。由圖7可見，刀具的磨損形式主要為涂層磨穿、基體磨鈍，且由于銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)質(zhì)地較軟容易切削，對刀具的磨損作用比碳纖維小，因此在刀具上形成了非均勻磨損現(xiàn)象，即刀具切削碳纖維的部分磨損量較大，切削銅網(wǎng)部分磨損較小。初始切削時，金剛石涂層保護刀具刃口，磨損較為緩慢，隨著切削長度增加，涂層逐漸磨損變薄直至磨穿，此時硬質(zhì)合金基體失去保護，刀具進入較快磨損階段。從圖7中可看到硬質(zhì)合金基體上產(chǎn)生了明顯的溝狀磨痕，這是高硬度的碳纖維切屑和回彈的已加工面對刀具造成的磨料磨損。此外，由于金剛石涂層與硬質(zhì)合金基體的熱脹系數(shù)不同，當?shù)毒咴谇邢鳠岬淖饔孟掳l(fā)生熱脹時二者的變形量不同，從而使涂層與基體剝離，涂層在切削力的作用下最終破碎。

3 結(jié) 論

（1）銑削表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP的主切削力最大值隨轉(zhuǎn)速增大而減小，隨進給速度增大而增大。此外，進給速度越大，切削力隨轉(zhuǎn)速的變化幅度越大

（2）銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)的加入對CFRP加工表面質(zhì)量沒有明顯影響。隨著轉(zhuǎn)速增大，45°纖維層上空洞數(shù)量增加，深度減小且表面樹脂涂覆逐漸增多；隨著進給速度增大，45°纖維層上的空洞變深變廣，樹脂涂覆減少，層間分界更加清晰，加工表面粗糙度值隨著轉(zhuǎn)速增大呈減小趨勢，隨進給速度增大呈增大趨勢。

（3）銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)與碳纖維對刀具的磨損作用不同，導(dǎo)致了刀具上非均勻磨損的出現(xiàn)。金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具銑削加工表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP時的磨損形式主要為涂層磨穿、基體磨鈍。

[1] 張元卿，劉興宇. 新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防雷擊膠膜性能驗證及運用. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012 (27): 41-42.

[2] 王巍，陳燕，牟娟，等. 釬焊金剛石工具磨削CFRP的試驗研究. 金剛石與磨料磨具工程，2012,32(1): 15-18.

[3] Zitoune R，El Mansori M，Krishnaraj V. Tribo-functional design of double cone drill implications in tool wear during drilling of copper mesh/CFRP/woven ply. Wear，2013.

[4] El-Hofy M H，Soo S L，Aspinwall D K. Factors affecting workpiece surface integrity in slotting of CFRP. Procedia Engineering，2011(19)：94-99.

[5] 李桂玉. 疊層復(fù)合材料鉆削加工缺陷產(chǎn)生機理及工藝參數(shù)優(yōu)化[D]. 山東:山東大學(xué)，2011.