玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削工藝實(shí)驗(yàn)研究*

田宏飛，李蓓智，龔菊賢，楊建國

(1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201600；2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200240)

0 引言

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)具有比強(qiáng)度比剛度高、抗疲勞、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶等領(lǐng)域。GFRP是一種將兩相或多相的異質(zhì)、異構(gòu)材料通過不同的工藝制造出的新型材料。其成型工藝與玻璃纖維含量對復(fù)合材料的切削性能有著重要影響，成型方法主要有模壓成型、纖維纏繞成型、手糊成型、拉擠成型等[1]。每一種成型工藝都有各自的特點(diǎn)，但為滿足對復(fù)合材料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用需要，不可避免地需要對復(fù)合材料進(jìn)行二次加工。銑削加工是GFRP復(fù)合材料構(gòu)件的主要加工方法之一。由于GFRP材料既包含硬質(zhì)的玻璃纖維相，又涉及韌性的樹脂粘結(jié)相，屬于非均質(zhì)材料，切削加工后容易造成樹脂涂覆和工件表面分層、撕裂、拉毛等缺陷。傳統(tǒng)的金屬切削理論不能用來指導(dǎo)GFRP工件的生產(chǎn)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已在GFRP復(fù)合材料的切削機(jī)理及切削方法進(jìn)行了大量研究。Mathivanan等[2]對GFRP層壓板進(jìn)行銑削力的研究，表明進(jìn)給速度對切削力的影響更大。張秀麗等[3]對不同纖維方向角GFRP復(fù)合材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，表明纖維方向角小于90°時，加工質(zhì)量較好。Jenarthanan M P[4]使用不同螺旋角刀具對GFRP層壓板進(jìn)行銑削試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)螺旋角為35°且纖維方向?yàn)?5°時，切削性能最好。宋中權(quán)[5]等通過對比普通麻花鉆、S刃麻花鉆、PCD麻花鉆對GFRP進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PCD刀具加工后孔表面質(zhì)量優(yōu)異。張厚江等[6-8]以單向纖維復(fù)合材料為研究對象，探討了直角切削機(jī)理，并給出了切削力的理論計算方法。

以上研究大多為加工刀具、纖維方向等加工理論與實(shí)驗(yàn)分析模型，很少涉及實(shí)際工藝參數(shù)設(shè)計方法以用來指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。本文以某型導(dǎo)彈發(fā)射箱的箱體環(huán)筋為對象進(jìn)行工藝試驗(yàn)研究，通過分析銑削參數(shù)、銑削方式與GFRP材料加工表面質(zhì)量的關(guān)系，以獲得理想的加工方案。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計

1.1 銑削試件

圖1給出了導(dǎo)彈發(fā)射箱示意圖，其中，環(huán)筋的材料為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其成型工藝為單向纖維纏繞成型。下面截取一段環(huán)筋作為試件，如圖2所示。

圖1 發(fā)射箱及其環(huán)筋示意圖

圖2 試驗(yàn)用的環(huán)筋

1.2 試驗(yàn)用的機(jī)床與儀器

試驗(yàn)所用機(jī)床為DMG-ecoMill 635v三軸數(shù)控機(jī)床，主軸功率為13kW，最高轉(zhuǎn)速10000rpm，最高進(jìn)給速度F=2000mm/min。在試驗(yàn)過程中使用Kistler 93473C三向測力儀及與測力儀相匹配的Kistler電荷放大器，通過32通道多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(LMS/SCADAS)檢測加工過程中的三向切削力，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖3所示。

試驗(yàn)中采用亞納米級白光干涉儀(Bruker/NPFLEX 3D))對工件表面進(jìn)行非接觸式粗糙度測量，以獲取工件表面三維粗糙度Sa值。

試驗(yàn)刀具為直徑6mm，螺旋角30°的三刃金剛石涂層銑刀。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場圖

1.3 復(fù)合材料粗糙度評價方法

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料其結(jié)構(gòu)具有非均質(zhì)性和各向異性的特點(diǎn)，加工后表面存在多種缺陷，傳統(tǒng)的二維評定參數(shù)Ra，不能真實(shí)的反映復(fù)合材料已加工表面的微觀形貌特征,其計算如公式(1)所示。材料表面形貌本質(zhì)是三維的，因此采用三維評定方法是評定材料表面質(zhì)量的趨勢，目前，國內(nèi)外已有部分學(xué)者對材料表面三維評定方法進(jìn)行過深入研究[9-11]。周鵬等[12]通過對碳纖維復(fù)合材料切削加工后表面分邊進(jìn)行二維和三維的評定。結(jié)果表明三維評定參數(shù)Sa，更能真實(shí)反映復(fù)合材料的表面形貌特征，其計算如公式(2)所示 。相對于從線輪廓軌跡獲得的二維評定參數(shù)Ra值,三維評定參數(shù)Sa值是從區(qū)域表面獲得的，具有統(tǒng)計性好，相對誤差小的優(yōu)點(diǎn)。因此本試驗(yàn)采用三維評定參數(shù)Sa作為GFRP加工表面粗糙度值。

(1)

其中，N為采樣點(diǎn)數(shù)，是采樣點(diǎn)的高度。

(2)

其中，η(xi,yj)為殘差表面，M，N分別為采樣區(qū)域內(nèi)x和y向的采樣點(diǎn)數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)參數(shù)與數(shù)據(jù)處理

為研究銑削參數(shù)、銑削方式對單向GFRP環(huán)筋構(gòu)件表面質(zhì)量和加工效率的影響規(guī)律，探求最佳切削銑削三要素范圍和銑削方式,分別對單向GFRP材料進(jìn)行如表1所示的順逆銑及銑削三要素試驗(yàn)。

試驗(yàn)中使用亞納米級白光干涉儀對工件表面進(jìn)行非接觸式粗糙度測量，并對各被測表面取五組三維參數(shù)值，然后計算得出平均值Sa作為該表面粗糙度值，其中每組數(shù)據(jù)采樣面積為2.534mm×1.900mm。由于逆銑后材料表面由于出現(xiàn)嚴(yán)重分層、拉毛缺陷，故未進(jìn)行粗糙度測量。

在保證質(zhì)量的前提下，提高加工效率，即保證最大的材料去除率，一直是學(xué)者追求的目標(biāo)。銑削過程中的材料去除率(MRR)的定義為單位時間被切除材料的體積，其表達(dá)式為：

MRR=Nnfzapae

(3)

其中，N為主軸轉(zhuǎn)速、n為刀具齒數(shù)、fz為每齒進(jìn)給量、ap為軸向切深、ae為徑向切深。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 金剛石刀具在不同切削參數(shù)下試驗(yàn)結(jié)果

2.2 銑削參數(shù)對單向GFRP切削性能的影響分析

圖4 進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響

圖4為不同進(jìn)給速度的條件下，單向GFRP工件三維表面粗糙度Sa值的變化趨勢。過高或者過低的進(jìn)給都會使工件表面粗糙值增加。當(dāng)進(jìn)給速度fz<0.04mm/z時，工件表面粗糙度隨著進(jìn)給的增加而減小，當(dāng)進(jìn)給速度fz>0.04mm/z時，工件表面粗糙度急劇增加，并在工件表面出現(xiàn)明顯拉毛現(xiàn)象。

這是由于刀刃尖角半徑的存在，單個刀齒第一次切削后會產(chǎn)生拉毛等缺陷，當(dāng)進(jìn)給速度過小時，隨著銑刀的旋轉(zhuǎn)，銑刀不同刀齒多次對存在拉毛缺陷的同一表面進(jìn)行切削，但由于尖角半徑的存在不會切斷纖維束而是進(jìn)一步將纖維束從基體中的拉出，導(dǎo)致粗糙度值增大。當(dāng)進(jìn)給速度過大時，單向玻璃纖維還未剪斷就被銑刀從基體中拉扯出，造成表面撕裂缺陷。

圖5 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

圖5為不同主軸轉(zhuǎn)速條件下，單向GFRP工件三維表面粗糙度Sa值的變化趨勢?？梢钥闯?，主軸轉(zhuǎn)速對工件表面粗糙度值的影響與進(jìn)給轉(zhuǎn)速對表面粗糙度值的影響趨勢相同，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速vc<4500rpm時，工件表面粗糙度隨著轉(zhuǎn)速增加而減小，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速vc>4500rpm時，工件表面粗糙度隨著轉(zhuǎn)速增加而增加。

這是由于當(dāng)進(jìn)給速度與切深一定時，在低轉(zhuǎn)速情況下，單向玻璃纖維還未剪斷就被銑刀從基體中拉扯出，造成表面撕裂缺陷。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速過高時，隨著銑刀的旋轉(zhuǎn)銑刀不同刀齒多次對存在拉毛缺陷的同一表面進(jìn)行切削，造成工件表面粗糙度值增大。

進(jìn)給速度與轉(zhuǎn)速的變化均反映出類似的規(guī)律，即隨著進(jìn)給速度與轉(zhuǎn)速增加，GFRP工件表面粗糙度開始下降，但隨著進(jìn)給速度與轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，表面粗糙度開始上升。顯然，隨著進(jìn)給速度與轉(zhuǎn)速的變化，可以找到一個拐點(diǎn)，在這個拐點(diǎn)附近不但可以獲得理想的表面質(zhì)量而且切削效率最高。

圖6 切深對表面粗糙度的影響

圖6為不同切深條件下，單向GFRP工件三維表面粗糙度Sa值的變化趨勢?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著徑向切深ap增大，表面粗糙度呈增大趨勢。這是由于隨著切深的增加，切除的玻璃纖維數(shù)量逐漸增加，斷裂的纖維和破碎的樹脂基體逐漸增多，在刀具工件的相互擠壓摩擦作用下，樹脂基體軟化粘附于加工表面，致使加工表面質(zhì)量變差。

2.3 銑削方式對單向GFRP切削性能的影響分析

本文通過順逆銑兩種不同的銑削方式對單向GFRP材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，在切削參數(shù)都相同的情況下，順銑后環(huán)筋已加工表面與逆銑后環(huán)筋已加工表面的拉毛、撕裂等情況區(qū)別不大，但在銑刀與工件分離處二者差異明顯。圖7a中刀具工件分離處有明顯的拉毛、分層現(xiàn)象，而圖7b中刀具工件分離處表面斷口平整。

(a) 逆銑 (b) 順銑 圖7 不同銑削方式下工件表面質(zhì)量對比圖

分析認(rèn)為這是由于環(huán)筋復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝為纏繞成型，復(fù)合材料纖維方向與進(jìn)給方向平行。逆銑時，銑刀的刀刃總是從已加工表面切入向工件表面切出如圖8a，切入工件時，由于刀具與工件之間的擠壓摩擦，豎直分力F向下，切離工件時豎直分力F向上具有將復(fù)合材料纖維向外拉的趨勢，在刀具不鋒利的情況下易產(chǎn)生纖維拉毛、層間撕裂等問題，并通過將纖維束撕拉出基體的形式形成長帶狀切屑如圖9a所示。順銑時，銑刀刀刃從工件表面切入如圖8b，刀具刀刃豎直分力F始終向下會首先切斷纖維，然后將切屑帶離，其切削形狀如圖9b所示為短卷狀，因此分離處表面質(zhì)量較好。

(a) 逆銑 (b) 順銑 圖8 不同銑削方式銑削力示意圖

圖10a與圖10b分別為采用逆銑與順逆銑兩種銑削方式加工單向GFRP材料工件時，采集的銑削豎直分力情況?？梢钥闯?，逆銑時存在兩種不同方向的銑削力，順銑時銑削力方向始終保持一致。這進(jìn)一步佐證了本文對采用順銑方式切削單向GFRP材料優(yōu)于逆銑方式的原因分析。

(a) 逆銑 (b) 順銑 圖9 不同銑削方式切屑圖

(a) 逆銑 (b) 順銑 圖10 不同銑削方式銑削力數(shù)據(jù)圖

3 結(jié)論

本文通過對GFRP材料導(dǎo)彈發(fā)射箱箱體環(huán)筋進(jìn)行側(cè)銑工藝實(shí)驗(yàn)，為優(yōu)化導(dǎo)彈發(fā)射箱環(huán)筋側(cè)銑工藝，并指導(dǎo)實(shí)際銑削加工奠定了基礎(chǔ)。研究獲得的重要結(jié)論包括：

(1)側(cè)銑加工中主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度對單向GFRP材料表面質(zhì)量有重要影響，且隨著主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度的變化發(fā)射箱表面粗糙度的變化存在拐點(diǎn)。發(fā)射箱環(huán)筋側(cè)銑加工的拐點(diǎn)約為主軸轉(zhuǎn)速vc=4500rmp、進(jìn)給速度fz=0.04mm/z左右，即在拐點(diǎn)處發(fā)射箱環(huán)筋表面質(zhì)量會出現(xiàn)明顯改變。

(2)單向GFRP材料側(cè)銑加工中，順銑時GFRP材料表面質(zhì)量明顯優(yōu)于逆銑。

(3)單向GFRP側(cè)銑加工中，切深對材料表面質(zhì)量影響不顯著，在不追求加工效率的情況下，一般可選取切深ap=0.5～0.8mm左右。