芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料低溫銑削研究

王鳳彪，張金豹，馬玉勇，侯博，王永青

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024；2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院材料與工藝研究所，北京100076）

芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料低溫銑削研究

王鳳彪1，張金豹1，馬玉勇2，侯博1，王永青1

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024；2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院材料與工藝研究所，北京100076）

為了降低芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工起毛、高溫?zé)g缺陷，提高其切削性能和加工質(zhì)量，采用液氮作為切削液進(jìn)行數(shù)控銑床深冷切削。利用超大景深數(shù)碼顯微鏡測(cè)量試樣表面形貌，3D表面輪廓儀測(cè)量試樣表面粗糙度，測(cè)力儀測(cè)量切削點(diǎn)切削力。建立了材料銑削過程模型；分析了纖維材料干銑削缺陷產(chǎn)生的原因；探討了液氮深冷銑削機(jī)制。結(jié)果表明：相比于干切削，深冷切削時(shí)切速越高，表面質(zhì)量越好，相同切速時(shí)深冷切削表面質(zhì)量更佳；兩種切削條件下，隨著切速升高，主切削力均呈下降趨勢(shì)，且深冷時(shí)下降得更加明顯，當(dāng)相同切速時(shí)深冷銑削主切削力較之干切削有所提高；纖維編織粘接成型點(diǎn)承受銑刀刃壓力不足，以及纖維高溫受力后出現(xiàn)自動(dòng)避讓和伸長(zhǎng)的特性，導(dǎo)致銑削表面質(zhì)量無法準(zhǔn)確控制；深冷銑削力的提高，切削區(qū)溫度的下降都對(duì)芳綸纖維加工缺陷的改善起到了積極作用。

機(jī)械制造工藝與設(shè)備；芳綸纖維；深冷切削；缺陷；表面質(zhì)量；切削力

0 引言

被譽(yù)為“人造鋼絲”的芳綸纖維是一種新型高科技合成纖維，利用芳綸纖維制備的樹脂基增強(qiáng)復(fù)合材料具有高模量、高強(qiáng)度、耐高溫、耐酸耐堿、質(zhì)量輕等優(yōu)良性能，目前被廣泛應(yīng)用于航空航天等復(fù)合材料制件，如衛(wèi)星天線支架、整流罩、飛機(jī)機(jī)翼前緣、安定面翼尖、尾錐等系統(tǒng)構(gòu)件［1］。同時(shí)由于其優(yōu)異性能和應(yīng)用范圍的特殊性，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷擴(kuò)展［2］。但由于芳綸高度取向的原因，該種材料具有復(fù)雜的多相結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的非均勻性以及各向異性。經(jīng)機(jī)械加工的材料表面存在表面粗糙等幾何形狀誤差以及如毛邊、撕裂、分層和熱損傷等各種形式的表面缺陷，很難獲得理想化表面，嚴(yán)重制約了該材料的應(yīng)用和相關(guān)高端型號(hào)產(chǎn)品的研制［3-4］。

對(duì)于該復(fù)合材料的機(jī)加工切斷特性的研究很多，文獻(xiàn)［5-6］描述了在傳統(tǒng)加工手段下，少部分纖維是由于刀具的剪切作用而發(fā)生斷裂，而絕大部分纖維呈現(xiàn)拉伸斷裂和彎曲斷裂現(xiàn)象。文獻(xiàn)［7］發(fā)現(xiàn)在拉伸斷裂時(shí)，纖維在拉力作用下呈現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象，并表現(xiàn)出韌性斷裂特征，經(jīng)一定塑性變形后才最終斷裂。文獻(xiàn)［8-9］描述了纖維材料的宏觀力學(xué)性能的原纖結(jié)構(gòu)特性，是引起纖維塑性變形導(dǎo)致切削斷口參差不齊，形成毛邊加工缺陷的主要原因。

目前對(duì)于芳綸纖維的機(jī)械加工方法主要集中在車削、鉆削和磨削方面，而銑削加工鮮有報(bào)道。文獻(xiàn)［10］利用切磨結(jié)合的方法，并通過霧化制冷系統(tǒng)對(duì)纖維材料進(jìn)行孔加工，可使主軸轉(zhuǎn)速提高到4 000 r/min.文獻(xiàn)［11］通過優(yōu)化刀具角度，研究芳綸蜂窩材料車削加工性能，并優(yōu)化了車刀刀頭結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［12］利用金剛石鉆頭加工了芳綸纖維復(fù)合材料，分析了復(fù)合材料鉆孔過程中的纖維破壞機(jī)理和鉆削表面的微觀結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，芳綸纖維的尖狀斷口以及原纖化斷口呈較為典型的韌性拉伸斷裂特征。

綜上所述，對(duì)于提高芳綸機(jī)械加工性能研究，主要停留在提高刀具切削刃鋒利程度，改進(jìn)刀具角度，優(yōu)化切削參數(shù)，外噴式低溫介質(zhì)介入等層面，由于切削中不能使用切削液的禁錮，切削溫度的控制也是一個(gè)亟待解決的問題。故本文從芳綸纖維微觀結(jié)構(gòu)和切削力變化出發(fā)，采用超低溫切削加工條件，研究低溫條件下材料銑削性能，探討深冷加工條件下降低芳綸纖維銑削缺陷，提高加工質(zhì)量的原因。

1 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)方法

1.1.1 試驗(yàn)試樣

試樣材料采用國產(chǎn)芳綸1414，并以直經(jīng)直緯編織為鋪層，層間輔以粘接劑膠結(jié)。將材料板材去表面蒙皮，利用鋸床切割成50 mm×50 mm×20 mm的均勻小塊，保證材料鋪層面呈水平狀態(tài)，并編號(hào)待用。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用大連光陽五軸立銑加工中心對(duì)材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，主軸最高轉(zhuǎn)速8 000 r/min，工作臺(tái)行程500 mm×500 mm×300 mm；刀具采用日本京瓷公司產(chǎn)硬質(zhì)合金4刃內(nèi)冷立銑刀，銑刀直徑為φ14 mm.利用北京天海工業(yè)公司產(chǎn)DPL-175MP型自增壓液氮罐及控制系統(tǒng)提供低溫液氮，采用外轉(zhuǎn)內(nèi)冷式刀柄裝置噴射液氮；控制液氮噴口溫度-20℃、-70℃、-120℃和-170℃.

1.2 試驗(yàn)方案

低溫加工試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，中空刀具裝入內(nèi)冷刀柄中，內(nèi)冷刀柄與銑床主軸相連接。

圖1 加工平臺(tái)Fig.1 Processing platform

加工參數(shù)如表1所示，切削寬度保持6 mm，各主軸轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)切削速度為22 m/min、44 m/min、132 m/min、220 m/min、308 m/min.

1.3 分析設(shè)備

采用日本KEYENCE公司產(chǎn)VHX-600型超大景深數(shù)碼顯微鏡測(cè)量試樣表面形貌和刀具磨損，分辨率5 400萬像素；采用美國ZYGO公司產(chǎn)New view5022型3D表面輪廓儀測(cè)量試樣表面粗糙度，垂直分辨率0.1 nm，橫向分辨率110 nm，掃描深度2～150 μm；采用瑞士Kisler9257B三相測(cè)力儀測(cè)量切削點(diǎn)切削力；采用美國RIGAKU公司的D/max-rB型號(hào)X射線衍射儀分析表面相組成，掃描速度0.02°.

表1 加工參數(shù)Tab.1 Process parameters

2 結(jié)果與分析

2.1 切削層表面形貌

在相同切削參數(shù)、不同切速時(shí)，兩種切削條件下材料切削表面微觀形貌如圖2所示。在低速干切削時(shí)，切削表面質(zhì)量較差，有未被切斷的纖維存留，且已切削表面有明顯完整纖維鋪層，可推測(cè)纖維是被拉扯斷屑，而不是被刀刃切斷，如圖2（a）和圖2（b）；隨切速的提高切削面變得光滑平整，起毛現(xiàn)象明顯得到改善，鋪層已很難看見纖維脈絡(luò)，但仍能分辨纖維與粘接劑鋪層，表面質(zhì)量繼續(xù)提高，但這時(shí)切削表面部分區(qū)域出現(xiàn)燒蝕點(diǎn)，如圖2（c）中白圈處，并可聞到纖維燒焦的氣味，隨著切速提高，雖然局部表面顯得更光滑，但燒蝕現(xiàn)象更加明顯，燒蝕點(diǎn)增加，如圖2（d）所示。

在低溫切削條件下，雖然在低速時(shí)仍可看到纖維鋪層，尤其在44 m/min時(shí)起毛現(xiàn)象較重，但相對(duì)于干切削同速切削條件，表面光潔度已有很大改觀，纖維脈絡(luò)已很難尋見，大部分纖維被刀刃切削下來，而不是撕扯，切削面起毛程度得到了降低，如圖2（e）、圖2（f）；高速切削時(shí)纖維延切削層面被切斷更加明顯，纖維與粘接劑鋪層已很難分辨，切削表面變得更加光整，同時(shí)高速銑削時(shí)并未有纖維燒焦氣味產(chǎn)生，燒蝕點(diǎn)未被發(fā)現(xiàn)，燒蝕缺陷得到了有效抑制，如圖2（g）、圖2（h）所示。

此外，如圖3所示干切削和深冷切削表面X射線衍射（XRD）圖譜。當(dāng)切速達(dá)到220 m/min時(shí)，圖譜中有其他雜質(zhì)相衍射峰，隨著切速提高，衍射峰強(qiáng)度升高，說明新相含量增多，可能是纖維和粘接劑遇高溫?zé)g氧化生成新相，導(dǎo)致纖維局部失效；深冷切削時(shí)，雖然切速達(dá)到了308 m/min，但并無新相生成，說明材料高速銑削后成分并無變化，仍能保持良好性能。

如圖4所示為220 m/min時(shí)不同切削溫度表面斷面。隨著溫度降低，加工斷面的纖維毛邊缺陷得到抑制，尤其在超低溫-170℃時(shí)，毛邊已很難發(fā)現(xiàn)。

圖2 不同切削速度時(shí)干切削和深冷切削的表面形貌Fig.2 Morphology of dry and cryogenic cut surfaces at different cutting speeds

圖3 干切削和深冷切削的表面XRD圖Fig.3 XRD diagram of dry and cryogenic cut surfaces

圖4 220 m/min時(shí)不同切削溫度的斷面形式Fig.4 The profiles of different temperatures at 220 m/min

2.2 表面粗糙度分析

由圖5可看出，隨著切速vc的提高，兩種條件下工件表面都變得更光滑。相對(duì)于深冷切削，干切削和較低溫冷卻時(shí)變化明顯，當(dāng)切速在220 m/min時(shí)達(dá)到最低粗糙度值，隨后該值又有所提高，表面質(zhì)量略有下降，主要是切削速度增大，產(chǎn)生的瞬時(shí)切削熱過高時(shí)，引起纖維粘接樹脂熔化后粘在后刀刃上。同時(shí)在切削微區(qū)，部分熔化的樹脂膠被刀刃帶走，導(dǎo)致切削微區(qū)留下凹坑，形成燒蝕點(diǎn)，反而影響了加工表面質(zhì)量。由圖5還可看到，相同切速時(shí)，深冷切削表面質(zhì)量更佳，并且隨著切速提高，并未出現(xiàn)干切削高速時(shí)表面質(zhì)量下降的現(xiàn)象。

圖5 不同切削速度時(shí)干切削和深冷切削的表面粗糙度Fig.5 The roughnesses of dry and cryogenic milling surfaces at different cutting speeds

兩種加工條件下的220 m/min時(shí)不同銑削深度ap加工表面粗糙度如圖6所示，隨著切深增加，兩種條件下粗糙度值都呈先減小、后增大趨勢(shì)，主要與纖維的切削特性有關(guān)，雖然切深較小，但切削力也很小，達(dá)不到纖維剝離的有效切力，纖維出現(xiàn)避讓現(xiàn)象，未被有效切除，而隨著切深增大，切削力增大，避讓程度減小，但當(dāng)切削力達(dá)到或超過纖維粘結(jié)點(diǎn)最大抗壓強(qiáng)度時(shí)，表面毛邊又增多，質(zhì)量下降。由圖6可預(yù)測(cè):切深分別達(dá)到1.26 mm和1.35 mm時(shí)可使粗糙度達(dá)到1.503 μm和1.251 μm，如圖6中“*”所在點(diǎn)，故深冷切削可在提高切深時(shí)達(dá)到與干切削小切深相同的表面質(zhì)量，提高了加工效率。

2.3 切削力變化

2.3.1 芳綸纖維復(fù)合材料銑削力模型

1）銑削力分解模型

復(fù)合材料銑削力分解如圖7所示，水平切削面上，沿進(jìn)給方向?yàn)檫M(jìn)給力Fx，與之垂直的為主切削力Fy，z軸方向?yàn)楸诚蛄z，此外ap是銑削深度，ae是銑削寬度。圖7（b）中ABCD面為側(cè)切削面，ADE為端切削面。

圖6 兩種加工條件220 m/min時(shí)不同銑削深度下表面粗糙度Fig.6 Surface roughness at different milling depths at 220 m/min

圖7 銑削模型Fig.7 Milling model

2）銑削力模型分析

文獻(xiàn)［13-15］結(jié)合刀具掃略角和切入角并考慮大切深即軸向切深ap＞R（銑刀半徑）的情況將切削力隨著刀具旋轉(zhuǎn)角度的變化過程進(jìn)行分類。改進(jìn)的逆銑銑削過程模型如圖8所示，圖8中αm為刀具在軸向切深范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)掃略過的角度掃略角，有如下公式:

式中:β為刀具螺旋角。

de為銑刀螺旋線在切入角范圍內(nèi)在軸向的投影距離，其計(jì)算表達(dá)式為

式中:αn為切入角，用于控制切削力方向，有效減薄切屑，并有cos αn=1-ae/R.

dt為銑刀相鄰兩螺旋刃軸向距離，有如下公式:

式中:αt=2πR/z，為每銑刀齒空間角，在此z=4.

圖8 銑削過程模型Fig.8 Model of milling process

此外根據(jù)金屬切削原理，可將銑削力F分解為作用在前刀面上的正壓力和沿切削面方向的摩擦力，故作用于切削單元上的切削力即可由單元正壓力分量Fi.k.t和單元摩擦力分量Fj.k.t合成。

根據(jù)本文具體試驗(yàn)可知，實(shí)際ae＜R，且ap＜de的一定刀具、材料下切削力的變化主要由ap和ae決定，故考慮加工中刀尖所在位置角，切削力F變化可由圖9表示。刀具從工件最下端B點(diǎn)處開始切入，隨著工件銑削長(zhǎng)度的增加，切削力先增大，而后由于DF段切削長(zhǎng)度不變但切削厚度的減小，導(dǎo)致切削力緩升至F點(diǎn)后，待開始離開切削區(qū)時(shí)，切削力急劇下降直至完全離開切削區(qū)邊界G點(diǎn)降為0，故側(cè)面切削時(shí)，切削力是一個(gè)不斷變化的過程。

圖9 切削力變化模型Fig.9 Model of milling force

2.3.2 切削力分析

不同切削速度下，干切削和深冷切削主銑削力、背向力和進(jìn)給力如圖10所示，主切削力Fy如圖10（a）所示。相同切速下，相比于干切削，深冷切削主切削力明顯要高一些；不同切速時(shí)，主切削力都隨著切速提高而下降，且趨勢(shì)明顯，深冷時(shí)呈幾乎線性下降趨勢(shì)。干切削時(shí)的切削力在220 m/min時(shí)下降趨勢(shì)減緩，而后又急速下降。可能在達(dá)到更高切速后，瞬時(shí)微區(qū)切削熱引起纖維粘接劑熔化粘結(jié)于刀具后刀刃上，如圖11所示，致使刀刃鈍性增加，引起材料切削不足，出現(xiàn)纖維自動(dòng)避讓現(xiàn)象，從而影響切削刃受力效果，最終降低了加工面（如圖7（b）中的ABCD面）微區(qū)所承受的切削力。但由切削理論可知，高速切削時(shí)，當(dāng)指定刀具參數(shù)、工件材料、切削深度及進(jìn)給量時(shí)，切削力并不是隨著切削速度無限減小，當(dāng)其大過某一值后，將趨向于一個(gè)恒力。

圖10 干切削和深冷切削的主銑削力Fig.10 Milling force of dry and cryogenic cutting

由圖10（b）可看到，深冷切削背向力Fz隨著切速升高而減小，而干切削時(shí)的Fz隨著切速升高而增大，前者幾乎都大于后者，且二者變化趨勢(shì)隨著切速升高都趨緩。主要是干切削時(shí)，隨著切速的增加，切削微區(qū)溫度升高導(dǎo)致粘接劑熔化粘連到刀刃形成鈍化層，增加了刀刃軸向阻力，故軸向Fz升高，同時(shí)受到粘接劑結(jié)合力和動(dòng)態(tài)銑削的影響，粘刀鈍化層達(dá)到一定厚度后增厚速度減緩，故Fz呈增長(zhǎng)趨緩態(tài)勢(shì)。由圖10（c）可看到，進(jìn)給力Fx都隨著切速升高而減小，且后期趨緩，此方向深冷切削力較干切削力較高，主要是恒進(jìn)給速度時(shí)進(jìn)給量下降，切削力Fz及Fx隨著每齒切削量下降而降低，以及深冷切削時(shí)由于纖維模量升高，如表2所示，樹脂材料硬度增大導(dǎo)致較干切削時(shí)受到更大進(jìn)給擠壓阻力。

圖11 刀具形貌圖Fig.11 The cutting tool morphology

表2 0°芳綸纖維力學(xué)性能［8，16］Tab.2 Mechanical properties of aramid fiber

通過刀具壽命與表面質(zhì)量相互關(guān)系曲線圖12可知，低溫下刀具壽命得到了很大的提升，雖然切削力提高（高速時(shí)只有10～20 N左右）會(huì)導(dǎo)致刀具磨損，但由于干切削熱溫升所引起的刀具磨損在低溫環(huán)境下得到了很好的抑制，尤其高速切削可獲得更高加工質(zhì)量時(shí)，刀具壽命提升可達(dá)3倍以上，同時(shí)低溫液氮對(duì)刀具起到潤滑作用，故刀具磨損對(duì)低溫切削中改善表面質(zhì)量的負(fù)面影響不大。

2.4 芳綸纖維機(jī)械加工分析

基于材料鋪層同層纖維間處于平行狀態(tài)特點(diǎn)，及銑刀旋轉(zhuǎn)銑削特性，纖維瞬間銑削點(diǎn)受力方向不同，即剪切角度γ不同，如圖13（a）所示，導(dǎo)致斷屑方式不同，由切削點(diǎn)1-4，γ逐漸增大，而某一點(diǎn)的Fx、Fy可由拉伸力Fn和剪切力Ft的公式（4）式和（5）式表示:

由于相對(duì)于Fx的Fy值很大，如圖13（b）所示，隨著γ增大，纖維材料由主要受Fy作用并由拉伸和剪切斷屑方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐约羟袨橹鞯臄嘈挤绞?，?dǎo)致切削表面纖維斷面不均，且殘留毛邊長(zhǎng)短不齊。

圖12 刀具壽命與表面質(zhì)量相互關(guān)系Fig.12 Tool life vs.surface quality

圖13 水平切削力變化Fig.13 The horizontal cutting force variation

深冷切削時(shí)，由于低溫下纖維彈塑性降低，脆性增加，拉伸斷屑方式減弱，剪切斷屑方式增強(qiáng)，故加工表面相對(duì)均勻。因此當(dāng)銑刀刃切入芳綸編織型結(jié)構(gòu)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維層的有效切削，必須保證切削刃首先使纖維剝開，然后將其切斷，即剝開-分離-切斷的過程。以下從三方面探討該材料銑削缺陷的原因:

1）銑削時(shí)復(fù)合材料的剝離方式對(duì)銑刀切口附近材料影響最大，當(dāng)纖維被剝離時(shí)，銑刀刃必須同時(shí)切斷纖維，若不能切斷或只是部分切斷，或者切削力超過切削微區(qū)纖維所能承受的最大抗壓強(qiáng)度（芳綸纖維抗壓性能較差），就會(huì)產(chǎn)生纖維編織成型點(diǎn)破壞，結(jié)構(gòu)受損不完整。而刀刃接觸點(diǎn)面積很小，刀刃施加在芳綸切削位置的橫向或縱向抗剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其所能承受的強(qiáng)度，甚至大于編織成型點(diǎn)的最大抗壓強(qiáng)度。隨著切速提高，銑削力下降，降低了該成型點(diǎn)破壞程度，故而加工面質(zhì)量上升。

2）銑削過程中，銑刀刀尖和刀刃首先將與其直接接觸的纖維切斷，由于銑刀切削刃后部相對(duì)于刀尖較鈍，且銑削力隨著刀刃公稱直徑反方向減小，導(dǎo)致該區(qū)域切削力不足，切削效果減弱，只起到剝離或撕裂纖維的作用，無法將其有效切斷。

3）由于銑削加工屬于斷續(xù)切削，在刀具旋轉(zhuǎn)且工作臺(tái)進(jìn)給中，刀具相對(duì)材料做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致各切削微元切削力不均，部分纖維未得到有效切削，加工后存在大量毛邊及絲須，表面光潔度較差。當(dāng)提高切削速度后，在相同切削面積上，單位時(shí)間內(nèi)有更多的刀刃和刀尖參與切削工作，提高了纖維被切削的機(jī)會(huì)，切削表面質(zhì)量得到提高，如圖2（a）～圖2（d）所示。

因此芳綸纖維材料在干切削過程中，由于纖維編織粘接成型點(diǎn)承受銑刀刀刃壓力不足，纖維未被有效切斷現(xiàn)象，以及纖維本身的低剛度且在瞬間高溫受力后纖維出現(xiàn)自動(dòng)避讓和伸長(zhǎng)的特性，都導(dǎo)致加工后表面質(zhì)量無法準(zhǔn)確控制。

由前面試驗(yàn)現(xiàn)象可知，經(jīng)液氮低溫銑削后，切削表面質(zhì)量明顯提高，可通過以下四方面進(jìn)行探討:

1）相同切削條件下，低溫切削比常溫干切削主切削力增加明顯，如圖10所示，雖然表面上看增大了超出纖維編織粘接成型點(diǎn)最大抗壓強(qiáng)度的概率，但實(shí)際上隨著溫度的急速下降，纖維彈性模量增大，抗拉強(qiáng)度減小，如表2所示，復(fù)合材料切削層脆性增加，并由干切削的彈塑性變形拉斷方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈约魯喾绞健＠w維的避讓缺陷被抑制，更多的纖維參與到切削中，刀具受阻增強(qiáng)，切削力升高，切斷面平整，如圖14所示兩種切削條件纖維材料斷裂形貌所示。此外由于粘接劑和纖維的熱膨脹系數(shù)不同，低溫下二者收縮產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力也增大了抗切削強(qiáng)度，降低了切削力超過的概率和纖維成型點(diǎn)被破壞的程度，加工表面質(zhì)量相對(duì)提高。

2）相比于常溫干切削，低溫切削時(shí)，切削力得到提高，使得銑刀切削刃后部銑削力不足的缺陷得到改善，提高了切削刃后部的銑削效果，可以實(shí)現(xiàn)纖維的剝開-分離-切斷過程，進(jìn)而提高了表面質(zhì)量。

3）纖維斷裂伸長(zhǎng)率由常溫時(shí)的2.7%減少到-196℃時(shí)的1.3%，如表2所示，降低了纖維本身伸長(zhǎng)的特性，同時(shí)超低溫液氮導(dǎo)致纖維瞬間高溫受力現(xiàn)象減弱，抑制了纖維自動(dòng)避讓和伸長(zhǎng)特性，提高了表面質(zhì)量。

4）低溫切削時(shí)，微區(qū)切削熱被深冷氣液混合物迅速帶走，切削微區(qū)溫度瞬間下降，纖維燒蝕和粘接劑熔化缺陷得到有效抑制，消除了切削刃后部的鈍化缺陷，在提高加工表面質(zhì)量的同時(shí)也提高了刀具耐用度。

圖14 兩種切削條件下纖維材料斷裂形貌Fig.14 Fiber fracture morphology in dry and cryogenic cutting

3 結(jié)論

1）芳綸纖維材料干切削時(shí)，隨著切削速度升高，表面質(zhì)量提高，且在220 m/min時(shí)達(dá)到最優(yōu)表面；而深冷切削時(shí)切速越高，表面質(zhì)量越好，相同切速時(shí)深冷切削表面質(zhì)量更佳；同時(shí)可通過提高切深達(dá)到與干切削小切深相同的表面質(zhì)量，提高了加工效率。

2）兩種切削加工條件下，隨著切速升高，主切削力均呈下降趨勢(shì)，且深冷切削下降更加明顯，相同切速時(shí)深冷切削主切削力較干切削有所提高；單刃切削周期里切削力的變化導(dǎo)致材料切削不均勻。

3）深冷切削切削力的提高，切削區(qū)溫度的下降都對(duì)材料切削缺陷的改善起到了積極作用。

4）通過試驗(yàn)結(jié)果，芳綸纖維材料銑削加工獲得良好加工質(zhì)量的工藝參數(shù)為:切削深度1.35 mm，進(jìn)給速度100 mm/min，切削速度308 m/min；刀具選用切削刃鋒利的硬質(zhì)合金立銑刀；冷卻溫度-170℃；銑削方向?yàn)槟驺姟?/p>

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［1］ 杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007，24（1）:1-12. DUShan-yi.Advancedcompositematerialsandaerospace engineering［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2007，24（1）: 1-12.（in Chinese）

［2］ 虢忠仁，杜文澤，鐘蔚華，等.芳綸復(fù)合材料對(duì)球形彈丸的抗貫穿性能研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010，31（4）:458-463. GUO Zhong-ren，DU Wen-ze，ZHONG Wei-hua，et al.Anti-perforation performance of aramid composite against spheric projectile［J］. Acta Armamentarii，2010，31（4）:458-463.（in Chinese）

［3］ Paulo D J，F(xiàn)rancisco M.A new machinability index in turning fiber reinforced plastics［J］.Journal of Material Processing Technology，2005，170:436-440.

［4］ 郭麗.高性能輕質(zhì)裝甲材料加工技術(shù)的研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2006:25-43. GUO Li.Study on the processing technology of high performance lightweight armor material［D］.Nanjing:Nanjing University of Science and Technology，2006:25-43.（in Chinese）

［5］ Kim J，Mai Y.Effects of interfacial coating and temperature on the fracture behaviours of unidirectional Kevlar and carbon fibre reinforced epoxy resin composites［J］.Journal of Materials Science，1991，26（17）:4702-4720.

［6］ Grubb D T，Li Z.Single-fibre polymer composites［J］.Journal of Materials Science，1994，29（1）:203-212.

［7］ Bunsell A R.Tensile and fatigue behaviour of Kevlar-49（PRD-49）fibre［J］.Journal of Materials Science，1975，10（8）: 1300-1308.

［8］ Wan Y Z，Chen G C，Huang Y，et al.Characterization of threedimensional braided carbon/Kevlar hybrid composites for orthopedic usage［J］.Materials Science and Engineering:A，2005，398（1/2）:227-232.

［9］ Santhanakrishnan G，Krishnamurthy R，Malhotra S K.Machinability characteristics of fibre reinforced plastics composites［J］. Journal of Mechanical Working Technology，1988，17:195-204.

［10］ 莊原.芳綸纖維復(fù)合材料切磨復(fù)合加工技術(shù)研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2013:39-48. ZHUANG Yuan.Study on the combined machining technology of sawing and grinding for aramid composites［D］.Dalian:Dalian University of Technology，2013:39-48.（in Chinese）

［11］ 張波，孫坤，黨繼康.芳綸紙蜂窩復(fù)合材料車削工藝性研究［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2011，36（6）:22-25. ZHANG Bo，SUN Kun，DANG Ji-kang.Study of stock removing process about aramid paper honeycomb composite［J］.Hi-Tech Fiber&Application，2011，36（6）:22-25.（in Chinese）

［12］ 鄭雷，袁軍堂，汪振華.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料磨削鉆孔的表面微觀研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2008，29（12）:1492-1496. ZHENG Lei，YUAN Jun-tang，WANG Zhen-hua.Microscopic study of ground surfaces of drilled holes in fibre reinforced plastics［J］. Acta Armamentarii，2008，29（12）:1492-1496.（in Chinese）

［13］ Yang L Q，DeVorShiv H L，Kapoor G.Analysis of forceshape characteristics and detection of depth-of-cut variationsin end milling［J］.ASME Journal of Manufacturing and Engineering，2005，127（3）:454-462.

［14］ Sabberwal A J，Koenigsberger F.Chip section and cutting force during the milling operation［J］.CIRP Ann，1960，9:197-203.

［15］ Tlusty J，MacNeil P.Dynamics of cutting forces in end milling［J］. CIRP Annals.1975，24:21-25.

［16］ Won M S，Dharan C K H.Drilling of aramid and carbon fiber polymer composites［J］.Transactions of the ASME，2002，124（11）:778-783.

Research on Milling Process of Aramid Fiber Reinforced Composite Materials in Cryogenic Conditions

WANG Feng-biao1，ZHANG Jin-bao1，MA Yu-yong2，HOU Bo1，WANG Yong-qing1
（1.School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，China；2.Research Institute of Material and Processing Technology，China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China）

In order to reduce the defects of fluff and high temperature ablation of aramid fiber reinforced materials during milling，and to improve the cutting performance and machining quality，the material is processed by CNC milling machine.The liquid nitrogen is used as a cryogenic cutting fluid.The ultradeep microscope digital microscope，3D surface contourgraph and dynamometer are used to measure the surface morphology，surface roughness and cutting force of cut specimens，respectively.A material model of milling process is established.The defects of dry milling are analyzed，and the liquid nitrogen cryogenic cutting mechanism is discussed.The results show that the machining quality of cryogenic cutting is excellent compared to dry ones at the same cutting speed.In two kinds of cutting conditions，the main cutting force declines with the increase in speed，and for the cryogenic one the trend is more obvious.At the same speed，the main cutting force in cryogenic milling is higher than that in dry milling.For the adhesive point of fiber woven it is lower cutter stress tolerance，and the fiber has automatic collision avoidance and elongation properties at high temperature and pressure，which lead to the inaccurate controll of milledsurface quality.Besides the improvement of cryogenic cutting force and cutting temperature drop have played a positive role for the improvement of the aramid fiber cutting defects.

manufacturing technology and equipment；aramid fibers；cryogenic cutting；defect；surface quality；cutting force

TH161

A

1000-1093（2015）11-2141-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.11.019

2015-04-14

國家科技重大專項(xiàng)（2014ZX04015021）

王鳳彪（1979—），男，講師。E-mail:wfb_0_0@163.com