碳纖維增強復(fù)合材料倒棱刀具切削試驗及參數(shù)預(yù)測

閆鴿 魏瑾 閆樹軍 王峰 王少楠

摘 要：對碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）進行切削處理時，傳統(tǒng)倒棱型刀具會產(chǎn)生更大的切削徑向力并引起刀具后刀面發(fā)生更明顯的磨損，對加工精度與刀具綜合性能產(chǎn)生不利影響。為了減緩死區(qū)（DMZ）的擠壓作用，研究設(shè)計了一種可以修正滑移線的倒棱刃口刀具切削模型，并開展正交切削試驗參數(shù)優(yōu)化。當(dāng)未變形切屑厚度（UCT）比倒棱刃口的長度更大，刀具微刃口處于被切屑流包覆的狀態(tài)，形成了以下3個滑移線場范圍。結(jié)果表明，模型預(yù)測結(jié)果與測試結(jié)果形成了良好的吻合狀態(tài)，切屑厚度預(yù)測誤差均值約4.8%，逐漸提高倒棱角與長度后，都引起了切屑厚度降低。預(yù)測得到的切削力都比測試值更大，進給力測試值同樣低于預(yù)測值，并且BUE也沒有被快速帶走，從而減緩了DMZ擠壓作用。

關(guān)鍵詞：滑移線場；倒棱刃口；死區(qū)；切削力預(yù)測

中圖分類號：TG519.1

文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）04-0133-03

Cutting experiment and parameter prediction of chamfering tool reinforced with carbon fiber composites

YAN Ge1，WEI Jin1，YAN Shujun1，WANG Feng2，WANG Shaonan3

（1.Xian Traffic Enginering Institute， School of Mechanical and Electrical Engineering， Xian 710300，China;

2.Xian Jiaotong University， School of Mechanical Engineering， Xian 710300，China;

3.China Central Construction Northwest City Construction Co.，Ltd.， Xian 710075，China）

Abstract：When cutting metal materials，the traditional chamfering tool will produce more radial force and cause more obvious wear on the tool surface，which adversely affects the machining accuracy and the comprehensive performance of the tool.In order to alleviate the dead zone （DMZ） extrusion，a chamfering edge cutting tool cutting model was designed to modify the slip line，and orthogonal cutting test parameters were optimized.When the undeformed chip thickness （UCT） was greater than the chamfering edge length，the tool microedge was covered by chip flow，resulting in the following three slip-line field ranges.The results showed that the model prediction results were in good agreement with the test results.The average error of chip thickness prediction was about 4.8%，and chip thickness decreased when the chamfering Angle and length were gradually increased.The predicted cutting force was greater than the measured value，the measured feed force was also lower than the predicted value，and the BUE was not carried away quickly，thus slowing the DMZ extrusion.

Key words：slip line field;chamfering edge;dead zone;cutting force prediction

碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）是在樹脂內(nèi)加入碳纖維進行增強的一種高強度復(fù)合材料，具備高比強度、比熱容大、等特性，對于航空航天部件、高精密設(shè)備、醫(yī)療儀器、高強度連接結(jié)構(gòu)起到了重要作用，大幅降低整體質(zhì)量并有效控制加工成本［1］。對CFRP進行切削處理時，刀具性能受到刀口結(jié)構(gòu)的直接影響，與傳統(tǒng)形式的尖刃口刀具相比，設(shè)置刃口為倒棱型時可以獲得更高強度并延長使用期限［2］。當(dāng)設(shè)置倒棱結(jié)構(gòu)時，將會產(chǎn)生更大的切削徑向力并引起刀具后刀面發(fā)生更明顯的磨損，從而對加工精度與刀具綜合性能產(chǎn)生不利影響［3］。此外考慮到刀具的刃口較小，并且在刃口部位會發(fā)生材料較大程度變形與產(chǎn)生復(fù)雜的流動現(xiàn)象，到目前為止尚未有學(xué)者針對微刃口的材料流動特性開展系統(tǒng)全面研究，也沒有建立可靠的分析理論系統(tǒng)。

還有一些學(xué)者通過切削測試發(fā)現(xiàn)，在靠近刀具的主負倒棱部位生成了具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的材料滯留組織［4］，將其表示為死區(qū)（DMZ），這也是產(chǎn)生積屑瘤（BUE）的關(guān)鍵因素。DMZ形成的重要作用機制是工件組織無法達到良好流動狀態(tài)，從而導(dǎo)致上述情況更嚴重［5］。根據(jù)塑性變形理論構(gòu)建的滑移線場方法在多種切削工況下獲得推廣使用，同時引起了越來越多學(xué)者的關(guān)注［6］。利用三區(qū)模型探討DMZ引起的剪切角變化，并分析DMZ與工件表面受到外部載荷擠壓后引起能量損耗的情況［7］。綜合分析BUE變形與切屑卷曲作用，設(shè)計了一種經(jīng)過優(yōu)化處理的滑移線場模型，可以實現(xiàn)BUE與切削參數(shù)的精確預(yù)測［8］。對BUE狀態(tài)進行了調(diào)節(jié)，并測試了對刀尖部位與消除毛刺方面的保護效果，之后利用滑移線場方法為BUE和刀具刃口外形結(jié)構(gòu)構(gòu)建定量關(guān)系［9］。

通過ABAQUS/Standard系統(tǒng)分析微刃口幾何結(jié)構(gòu)引起的刀具應(yīng)力變化，當(dāng)?shù)毒咔腥牒?，在倒棱部位產(chǎn)生了DMZ，降低了近20%的刀具主應(yīng)力［10］。以傳統(tǒng)加工技術(shù)對CFRP進行切割時，容易引起表面毛刺、結(jié)構(gòu)分層、基體熱損傷以及產(chǎn)生過大的錐度等多種缺陷。為此，本文通過分析CFRP材料剛塑性變形特征，設(shè)計了一種可以修正倒棱刃口刀具切削參數(shù)的滑移線場模型。

1 倒棱刀具切削模型

對DMZ與材料預(yù)剪區(qū)之間的相互作用開展深入探討，構(gòu)建得到圖1中的修正滑移線的倒棱刀具切削示意圖［10］。

對圖1進行分析可知，當(dāng)未變形切屑厚度（UCT）比倒棱刃口的長度更大的條件下，刀具微刃口處于被切屑流包覆的狀態(tài)，形成了以下3個滑移線場范圍。

（1）DEFGHC包圍形成的第1變形區(qū)，三角結(jié)構(gòu)DEF為預(yù)剪切區(qū)，產(chǎn)生此區(qū)域的原因是工件到達主剪切面之前受到了切屑的擠壓作用而發(fā)生變形的結(jié)果。根據(jù)船首角ρ判斷預(yù)剪區(qū)上表面發(fā)生傾斜的狀態(tài)；

（2）類三角ABC屬于材料滯留區(qū)，以DMZ進行表示。進行切削期間，此區(qū)域是在倒棱刃口下部的一個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，C表示滯止點，超過此點后材料以切屑的形式存在，位于該點下部時，材料受到DMZ擠壓作用轉(zhuǎn)變?yōu)橐鸭庸け砻妫?/p>

（3）AHC呈現(xiàn)直角三角形的范圍內(nèi)屬于第3變形區(qū)，屬于受擠壓區(qū)。認為此區(qū)域的邊界屬于一條直線，并規(guī)定死區(qū)工件界面部位沒有發(fā)生材料的垂直流動現(xiàn)象，由此判斷此區(qū)域材料沒有跟DMZ之間發(fā)生成分交換的過程，同時利用摩擦系數(shù)角ξ1判斷交界面發(fā)生局部流動時形成的剪切應(yīng)力。

2 切削試驗驗證

2.1 正交試驗設(shè)計

采用正交方案測試了倒棱刀具正交切削［11］力預(yù)測效果，構(gòu)建測試系統(tǒng)平臺。其中，圓柱工件以304不銹鋼作為原材料，將前端設(shè)計為外徑120 mm、寬2.5 mm的柵格結(jié)構(gòu)。刀具材質(zhì)為硬質(zhì)合金，刀桿設(shè)置了-7°的前角，通過夾具把刀具與刀桿固定到Kistler9257B測力儀上。選擇CAK5085nzj數(shù)控車床進行測試，利用KEYENCEVHX-100超景深顯微鏡表征了切屑厚度，共設(shè)置4種刀具刃口。

按照表1參數(shù)設(shè)定了4組切削條件，控制切削速率為100 m/min，保持進給量0.15 mm/r，切削寬2.5 mm，采用干切測試方案，對各組條件進行2次測試，計算3次測試數(shù)據(jù)的均值作為最終結(jié)果。

2.2 試驗結(jié)果對比與討論

推導(dǎo)滑移線場和倒棱刃口關(guān)系并計算304不銹鋼流動剪切應(yīng)力，按照表1給出的各項參數(shù)，預(yù)測切削力、進給力與切屑厚度，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，模型預(yù)測結(jié)果與測試結(jié)果形成了良好的吻合狀態(tài)。對圖2（a）分析可知，切屑厚度預(yù)測誤差均值約4.8%，逐漸提高倒棱角與長度后，都引起了切屑厚度降低的現(xiàn)象，這是由于形成了更大范圍的DMZ，在倒棱區(qū)域形成了更多滯留材料，促使更多材料擠壓到加工表面，同時降低了流入切屑的比例。對圖2（b）分析顯示，預(yù)測得到的切削力比測試值更大，這是因為處于較小切削速率下時，較易在刀具刃口部位生成BUE，形成更大的刀具前角，引起切削力降低的現(xiàn)象。對圖2（c）分析發(fā)現(xiàn)，進給力測試值同樣低于預(yù)測值，這是因為進行切削加工的過程中，形成了卷曲形態(tài)的切屑，因此刀具切屑接觸長度相對模型預(yù)期值更小，并且BUE也沒有被快速帶走，從而減緩了DMZ擠壓作用。

開展了切削微觀組織觀察，以及整理微觀的相關(guān)幾何參數(shù)，試驗組與理論組平均數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表2所示；圖3為普通刀具和倒棱型刀具切削示意圖。

從圖3（a）可以看出，受摩擦熱作用后，切削兩側(cè)區(qū)域的樹脂層發(fā)生了熔融以及部分氣化的現(xiàn)象，形成了部分裸露的碳纖維，發(fā)生熔融之后繼續(xù)降溫發(fā)生凝固的樹脂則在切縫表面形成粘附狀態(tài)。此時碳纖維的末端受到熱作用后出現(xiàn)明顯膨脹，同時位于碳纖維間的樹脂出現(xiàn)了受熱分解的結(jié)果，產(chǎn)生了大量小孔洞。同時樹脂基體也受到損壞，引起碳纖維分層。由于明顯發(fā)生了熔融物堆積并存在各區(qū)域熱膨脹程度差異的影響，從而形成了粗糙的槽側(cè)壁，無法獲得理想的切割效果。從圖3（b）可以看出，采用倒棱型刀具切削方法形成了比普通刀具切削更干凈的槽兩側(cè)，并且在槽兩側(cè)區(qū)域發(fā)生了樹脂層的少量剝落，沒有形成明顯的熱影響區(qū)或發(fā)生熔融物附著的現(xiàn)象，此時形成了整齊分布的碳纖維斷面，沒有出現(xiàn)熱膨脹的情況，也未形成附著的熔融產(chǎn)物，形成了干凈的槽道表面，獲得了更優(yōu)切割質(zhì)量。

3 結(jié)語

（1）當(dāng)未變形切屑厚度（UCT）比倒棱刃口的長度更大，刀具微刃口處于被切屑流包覆的狀態(tài)，形成了以下3個滑移線場范圍；

（2）模型預(yù)測結(jié)果都跟測試結(jié)果形成了良好的吻合狀態(tài)。切屑厚度預(yù)測誤差均值約4.8%，逐漸提高倒棱角與長度后，都引起了切屑厚度降低；

（3）預(yù)測得到的切削力都比測試值更大，進給力測試值同樣低于預(yù)測值，并且BUE也沒有被快速帶走，從而減緩了DMZ擠壓作用。

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