刘思南 杨 涛 杜 宇 刘 畅 巩文东

(1 天津市现代机电装备技术重点实验室，天津 300387)

(2 天津工业大学机械工程学院，天津 300387)

0 引言

凯夫拉纤维增强复合材料(KFRP)因其模量高、韧性好、强度高等特点在国防军工和航空航天领域得到了广泛应用［1－2］。然而，复杂的多相结构、较差的热导率和较低的层间结合强度使其成为典型的难加工材料［3－4］。复合材料在装配过程中通常需要螺接或铆接，然而KFRP复合材料层合板进行制孔时，极易出现起毛、撕裂和分层等表面缺陷，加工和装配精度不仅难以保证，疲劳寿命和承载能力也会明显下降［5－6］。

分层缺陷是由于刀具轴向切削力超过了层合板的层间结合强度，进而导致铺层间的破坏分离情况。凯夫拉纤维呈丝絮状残留并堆积于表面称之为起毛缺陷，是KFRP复合材料最显著的加工缺陷形式［7］。当刀具即将穿透材料时，出口处剩余的未切削纤维铺层与基体间发生层间剥离并被拉裂撕扯的现象称为撕裂缺陷。

钻削过程中，采用群钻、PCD钻头、套料钻等特殊结构刀具能够有效抑制加工缺陷的产生［8－9］。通过建立不同结构刀具的临界轴向推力模型，Hocheng和Tsao得出在钻削过程中群钻、套料钻等钻头的分层轴向力阈值更大，从而抑制了分层缺陷的产生［10］。

为了提高制孔质量，国内外研究人员开展了针对难加工材料的螺旋铣削工艺研究。螺旋铣削制孔具有表面质量高、切削力小等优点［11］。通过分析螺旋铣动力学，相关学者建立了预测螺旋铣削时的切削力解析模型［12－13］。王奔等利用传统钻削和螺旋铣削两种工艺对C/E复合材料的制孔质量、切削温度和切削力进行了对比研究，结果显示较低的切削温度是螺旋铣孔工艺抑制缺陷的重要因素［14］。对CFRP复合材料螺旋铣孔的切削参数进行正交试验，主轴转速、进给量和切削深度等切削参数也会对切削力、制孔缺陷产生重要影响［15－16］。此外，针对 CFRP/钛合金层叠材料，Brinksmeier等进行了螺旋铣孔研究，较低的切削力和切削温度能够有效改善难加工材料的制孔质量［17］。

然而，制孔研究大多集中在CFRP复合材料及其层叠材料，鲜见对KFRP复合材料的研究，切削参数和刀具类型对制孔质量的影响尚不明晰。碳纤维较脆，而芳纶纤维韧性较大。所以机加工中强韧而不易碎折，可加工性不好，是最难加工的材料之一，在机加过程中经过一定的塑性变形才能断裂［18］，因此，研究KFRP复合材料螺旋铣削制孔具有重要意义。本文主要开展KFRP复合材料螺旋铣削工艺制孔质量研究。

1 试验

1.1 螺旋铣孔切削运动轨迹分析

螺旋铣孔是以铣削原理为基础进行制孔的加工方法，由3种运动复合形成，包括铣刀的自转、围绕孔轴向中心线的公转以及沿着试件厚度方向的进给运动，如图1所示。至少确定刀具的主轴转速N、轨道转速ω、轴向进给速度f以及偏心距e等4项切削参数，才能进行一次完整的螺旋铣孔切削［19］。偏心距应满足:

式中，Dh为加工孔径，Dm为铣刀直径。

螺旋铣孔切削时，切削刃上任一点的切削速度为:

式中，RC为切削刃上任意一点至刀具中心的距离。

轴向切削深度可表示为:

1.2 试验设计

分别对偏心距、主轴转速和刀具类型进行单因素试验，轴向切削深度和轴向进给速度分别固定在1.0 mm/r和50 mm/min，偏心距为 0.5和 1 mm，主轴转速分别为4 000、5 000和6 000 r/min。每组切削参数下各螺旋铣孔3个。试验中分别采用二刃、三刃、四刃和波形四刃等4种整体硬质合金立铣刀进行螺旋铣孔，刀具直径均为4.0 mm。二刃、四刃和波形四刃铣刀均有TiAlN涂层;而三刃铣刀的刃部无涂层，刃口更为锋利;波形四刃铣刀是在普通四刃铣刀的基础上改进而成，将螺旋前刀面加工为波浪形螺旋面，使之与后刀面相交成波浪形的切削刃。

1.3 试验条件

采用中航复合材料有限公司生产的凯夫拉纤维正交编织预浸料，酚醛树脂基体含量为38%。通过铺层及热压罐固化工艺制备为KFRP复合材料层合板，试件厚度为4 mm。试验现场布置如图2所示，试验平台为汉川XK714D型立式数控铣床。

由于KFRP复合材料热导率较低而吸湿率较强，不适宜喷淋冷却，因此切削过程中通过吹扫压缩空气进行冷却。试验人员在佩戴口罩的同时，利用吸尘器实时收集切屑，以减轻对呼吸系统的损害。

2 结果及讨论

2.1 制孔质量表征

以分层因子、起毛面积和孔径偏差表征KFRP复合材料螺旋铣削工艺的制孔质量。如图3(a)所示，分层因子由Df/D计算(Df为分层区域的最大直径，D为公称孔径)。KFRP复合材料出口处分层区域有明显的颜色变化，易于视觉观测，因此采用精度为0.02 mm的游标卡尺测量Df。

由于残留的凯夫拉纤维呈丝絮状堆积于表面，形状不规则、长度不均匀，因此将其覆盖的面积定义为起毛面积以表征缺陷的严重程度。如图3(b)所示，利用图像分析软件Image Pro Plus，将螺旋铣孔入口处的数码图像转换为二进制图像，能够获得起毛缺陷的面积。

孔径偏差则由Dr–Dc与Dr的比值来计算(Dr为入口处直径，Dc为出口处直径)。图3(c)可见入口及出口处分别存在严重的起毛和撕裂缺陷，所需景深较大并遮掩了孔径，导致光学和电子显微镜无法进行有效成像，因此入口及出口处孔径均通过游标卡尺测量。为确保数据的准确性，在每组切削参数下各螺旋铣孔3个，每孔的分层因子、起毛面积和孔径偏差均被测量计算3次并取平均值，进而计算出相同切削参数下3个孔的平均值。

2.2 偏心距

偏心距是螺旋铣孔工艺重要的切削参数，通过在合理范围内改变偏心距，同规格的刀具能够加工一系列的孔径。图4为采用二刃立铣刀以主轴转速4 000 r/min和不同偏心距切削时的制孔质量。图5表示偏心距对分层因子的影响。可以看出，偏心距0.5 mm时的出口处质量明显优于偏心距1.0 mm，随着偏心距从1.0 mm降至0.5 mm，分层因子由1.36降至1.31。

图6表示偏心距对起毛面积的影响，采用较大的偏心距切削时，大量凯夫拉纤维未能在切削刃的作用下发生剪切断裂，而是经过一定的塑性变形后发生拉伸或弯曲断裂，进而产生严重的起毛缺陷。与偏心距1.0 mm相比，偏心距0.5 mm时的入口处质量得到了显著提升，起毛面积下降了55.3%。

偏心距对孔径偏差的影响如图7所示，随着偏心距的增加，孔径偏差由9.2%升至18.2%，偏心距1.0 mm时出口处已呈现明显的不规则形状。这是由于螺旋铣孔切削时，垂直于刀具轴向进给方向的切削力会导致铣刀发生弯曲变形，偏心距越大，弯曲变形越大，进而导致出口处明显的孔径偏差。

2.3 主轴转速

采用四刃立铣刀在偏心距0.5 mm的工况下，不同主轴转速时的制孔质量如图8所示。图9为主轴转速对分层因子的影响，分层因子随着主轴转速的增加而升高。主轴转速6 000 r/min时的出口处质量最差，分层和撕裂缺陷最严重，而主轴转速降至4 000 r/min时的制孔质量明显改善，分层因子下降了7.4%。

主轴转速对起毛缺陷的影响也呈现相同的趋势。如图10所示，主轴转速4 000 r/min时的起毛面积比6 000 r/min下降了27.3%。切削过程中，纤维在树脂基体内有被压缩的趋势，加之凯夫拉纤维细密、拉伸强度高、韧性强［20］，难以在极短时间内被大量切断。因此在较高的主轴转速下，大量纤维没有被切削刃切断，而是在刀具的作用下发生了拉伸、挤压和弯曲变形，最终产生塑性断裂，残留在加工表面形成了严重的起毛缺陷。

主轴转速对孔径偏差的影响如图11所示，虽然孔径偏差呈现随主轴转速的增加而升高的趋势，但均在2%上下浮动，增幅并不明显。

2.4 刀具类型

在偏心距0.5 mm和主轴转速4 000 r/min的工况下，采用不同类型刀具时的制孔质量如图12所示。三刃铣刀的入口处质量最好，波形四刃铣刀次之，二刃和四刃铣刀的起毛缺陷更严重。而波形四刃铣刀的出口处质量最好，其余刀具的出口处均有明显的撕裂和分层缺陷。图13表示采用不同结构刀具螺旋铣孔时的分层因子，分层因子随着刀具刃数的增加而升高，而波形四刃铣刀的分层因子最小，仅为1.27。

采用不同刀具类型切削的起毛面积如图14所示，三刃铣刀和波形四刃铣刀的起毛面积分别比二刃铣刀下降了14.1%和13.7%。主要原因是:三刃铣刀与二刃铣刀相比有更多的切削刃参与切削，每齿受到的切削抗力也有所减小;与四刃铣刀比较，更锋利的切削刃利于凯夫拉纤维剪切断裂，因此入口处质量最优。

图15为刀具类型对孔径偏差的影响，波形四刃铣刀的孔径偏差最小，仅为1.2%，而三刃铣刀切削的孔径偏差最大，达到17.0%。由于三刃立铣刀的端面中心有螺旋槽穿过，刃口未过刀具中心，当刀具切入材料时单边受力导致偏斜，因此在轴向进给过程中发生明显的栽刀现象，四刃铣刀因其刃口过中心，轴向进给过程更加稳定，所以孔径偏差较小。

因此，综合衡量分层因子、起毛面积和孔径偏差，波形四刃铣刀的制孔质量最好。主要原因是:波形刃铣刀属于粗加工刀具，与相同齿数的立铣刀相比其切削宽度显著减小，而切削刃的实际切削厚度增大，能够有效减少切削材料的变形程度，因此更适合KFRP复合材料的螺旋铣孔切削。

3 结论

(1)随着偏心距的减小，分层因子、起毛面积和孔径偏差都随之降低，偏心距0.5 mm时的分层因子和起毛面积分别比1.0 mm时降低了3.7%和55.3%，孔径偏差由18.2%降至9.2%。因此，较小的偏心距能够有效抑制KFRP复合材料制孔缺陷。

(2)由于凯夫拉纤维拉伸强度高、韧性好，在高主轴转速下，大量纤维难以被切断并发生塑性断裂。因此，分层因子、起毛面积和孔径偏差均随着主轴转速的升高而增加。主轴转速4 000 r/min时螺旋铣孔的质量最好，分层因子和起毛面积分别比6 000 r/min时降低了7.4%和27.3%。

(3)三刃无涂层铣刀的入口处质量最好，但出口处缺陷严重，不适用于有轴向进给运动的螺旋铣孔切削。由于每齿受到的切削抗力随刃数的增加而减小，四刃铣刀的制孔质量优于二刃铣刀。波刃铣刀因其特殊的刃形，能够有效减少切削材料的变形程度。综合评定试验结果，在主轴转速4 000 r/min和偏心距0.5 mm的工况下，采用波形四刃铣刀的KFRP复合材料螺旋铣孔质量最好。

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