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文檔簡(jiǎn)介

1

序言碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CarbonFiberReinforcedPolymers,簡(jiǎn)稱CFRP)由于比強(qiáng)度高、比模量大且成型工藝好等優(yōu)異特性,被應(yīng)用于某型號(hào)衛(wèi)星的框架構(gòu)架生產(chǎn)中。該框架材料為Al/CFRP/Al疊層結(jié)構(gòu),由于裝配孔具有較高的幾何公差及尺寸精度要求,兩種材料分別制孔再進(jìn)行裝配的方式無(wú)法保證加工質(zhì)量的一致性[1]。因此,該材料疊層制孔的研究勢(shì)在必行。疊層制孔的加工方式一定程度上保證了后續(xù)裝配的孔位要求,但由于不同材料對(duì)于刀具及加工參數(shù)等加工條件的適應(yīng)程度不同,因此出現(xiàn)了孔徑超差、孔內(nèi)壁表面質(zhì)量下降等一系列問(wèn)題。當(dāng)孔徑增大,隨之變大的軸向力也暴露出工件剛度不足、變形較大等問(wèn)題,需要對(duì)加工參數(shù)及裝夾方式做進(jìn)一步的改進(jìn),以保證加工質(zhì)量及精度。

對(duì)于疊層材料制孔的缺陷控制及工藝優(yōu)化,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了很多研究。采用兩種變頂角結(jié)構(gòu)的鉆頭對(duì)Ti/CFRP疊層構(gòu)件進(jìn)行了鉆孔試驗(yàn),得到了頂角變化對(duì)軸向力大小及孔壁質(zhì)量的影響規(guī)律。在CFRP/Al疊層制孔試驗(yàn)中,研究了鉆頭直徑及主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等加工參數(shù)對(duì)鋁合金切屑形態(tài)與鉆削軸向力的影響,通過(guò)優(yōu)化加工參數(shù)提高了加工質(zhì)量。研究了PTFE/CFRP/Al在制孔過(guò)程中主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)切削溫度及成屑形態(tài)的影響,通過(guò)控制溫度和切屑形態(tài),抑制了CFRP表面劃傷,提高了鋁合金出口的加工質(zhì)量。

關(guān)于如何利用加工參數(shù)來(lái)控制切屑形態(tài)和刀具磨損,進(jìn)而抑制缺陷、提高加工質(zhì)量的研究,前人已經(jīng)做出了許多努力,然而現(xiàn)有制孔質(zhì)量的研究中,孔徑均<10mm,相較于本框架構(gòu)件裝配孔徑22mm有較大差距。刀具尺寸的變化會(huì)使刀具在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到更多來(lái)自于工件的力矩作用,加之CFRP的各向異性導(dǎo)致刀具兩刃所受的切削力不均衡,形成了過(guò)大的離心力,使刀具在鉆削CFRP時(shí)穩(wěn)定性急劇下降,從而引發(fā)更多的孔壁缺陷,同時(shí),隨刀具直徑增大而增大的軸向力也對(duì)零件剛度及裝夾穩(wěn)定性提出了更高的要求。本文以雙頂角鉆頭對(duì)Al/CFRP/Al疊層材料進(jìn)行鉆削試驗(yàn),先通過(guò)對(duì)切削過(guò)程中鉆削軸向力變化趨勢(shì)的分析,進(jìn)行裝夾穩(wěn)定性的改善,再通過(guò)不同切削參數(shù)條件下,對(duì)加工質(zhì)量與軸向力大小的分析,揭示切削參數(shù)對(duì)該疊層材料制孔質(zhì)量的影響規(guī)律,并給出較為合適的加工參數(shù),應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。2

試驗(yàn)方案本試驗(yàn)使用的刀具為TiAlN涂層雙頂角麻花鉆,鉆頭直徑為22mm,鉆尖頂角為130°/150°,如圖1所示。采用DMU60P五軸精密數(shù)控加工中心,該加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速為18000r/min,主軸額定功率為42.8kW,試驗(yàn)過(guò)程中采用Kistler9128AA型壓電測(cè)力儀收集并記錄鉆削軸向力的數(shù)據(jù)。為了不破壞CFRP材料的性能,試驗(yàn)中并未使用切削液,而采取干式切削的方式,并利用工業(yè)吸塵器對(duì)揚(yáng)起的CFRP切屑粉末進(jìn)行回收,裝夾形式如圖2所示。圖1

雙頂角麻花鉆頭

圖2裝夾形式試驗(yàn)后,利用KH-7700型三維視頻顯微鏡對(duì)試件孔壁形貌及缺陷進(jìn)行細(xì)節(jié)觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集,并用MahrM1型便攜式粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行表面粗糙度值的測(cè)量與分析。3

試驗(yàn)結(jié)果與分析鉆削試驗(yàn)的切削參數(shù)見(jiàn)表1,同一轉(zhuǎn)速下使用一把刀具連續(xù)加工4個(gè)孔,根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的變化來(lái)分析加工質(zhì)量的優(yōu)劣,并利用重復(fù)試驗(yàn)來(lái)判斷刀具的磨損程度。表1鉆削試驗(yàn)參數(shù)

3.1加工過(guò)程鉆削力分析鉆削力是衡量鉆削質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,各方向鉆削力的變化能夠量化地體現(xiàn)整個(gè)加工過(guò)程,結(jié)合刀具磨損及缺陷的生成情況,能夠?qū)庸ぶ谐霈F(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的分析和評(píng)估。而軸向力作為各向鉆削力中的關(guān)鍵部分,在CFRP這種層合型復(fù)合材料和疊層構(gòu)件的加工中,更是產(chǎn)生分層和孔壁缺陷的關(guān)鍵因素。

在本試驗(yàn)中,鉆頭主切削刃部分軸向長(zhǎng)度約3.4mm,如圖3所示。第一主切削刃直徑為6mm,鉆尖橫刃較小,故可知第一主切削刃末端到鉆尖橫刃的軸向長(zhǎng)度L1約為:L1=

d

/(2tanα)=6/[2tan(130°/2)]=1.4(mm)。a)三維結(jié)構(gòu)

b)結(jié)構(gòu)及尺寸示意

圖3刀具模型(1)主軸轉(zhuǎn)速為500r/min的鉆削過(guò)程

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為500r/min、進(jìn)給量為0.04mm/r時(shí),鉆削過(guò)程軸向力變化趨勢(shì)如圖4所示,A點(diǎn)所示為鉆尖橫刃完全穿透鋁合金,尚未切削CFRP的節(jié)點(diǎn)。鉆削開始后,軸向力在短暫的急劇上升后,進(jìn)入較為穩(wěn)定的變化過(guò)程,直至鋁合金層完全鉆透。此期間軸向力保持相同斜率持續(xù)上升,在經(jīng)過(guò)第一、第二主切削刃過(guò)渡點(diǎn)時(shí)也未出現(xiàn)明顯的斜率變化,說(shuō)明鉆削鋁合金時(shí),軸向力對(duì)鉆尖頂角的變化并不敏感。圖4鉆削過(guò)程軸向力變化趨勢(shì)(500r/min)在經(jīng)過(guò)A點(diǎn)后,軸向力并未按照理論值持續(xù)上升,而是在小幅振蕩到B點(diǎn)后,迅速上升并進(jìn)入穩(wěn)定切削階段。鉆尖突破鋁合金后,進(jìn)入膠連部分并嘗試鉆入CFRP層,由于CFRP表面結(jié)構(gòu)不均,所以此時(shí)鉆尖失去穩(wěn)定的鉆入點(diǎn)。隨著刀具的運(yùn)動(dòng),工件在軸向力的作用下發(fā)生彈性形變,呈拱形向下小幅彎曲,軸向力也沒(méi)有明顯增長(zhǎng)。隨著工件向下?lián)隙鹊脑黾?,工件的反作用力逐漸增大,當(dāng)反作用力增大到某一臨界點(diǎn)后,鉆尖開始正常鉆入CFRP,軸向力開始上升(如圖4中點(diǎn)B到點(diǎn)C所示)。由于鉆頭向下運(yùn)動(dòng)與工件恢復(fù)形變的同時(shí)作用,鉆頭相對(duì)于工件的進(jìn)給量會(huì)大于設(shè)定值,出現(xiàn)過(guò)進(jìn)給現(xiàn)象,軸向力以高于理論值的加速度迅速增大,孔壁加工質(zhì)量也隨著實(shí)際進(jìn)給量的增大而有所下降。通過(guò)對(duì)鉆頭的理論軸向位置進(jìn)行計(jì)算并與軸向力變化趨勢(shì)的時(shí)間軸對(duì)比,得知工件從鉆尖穿過(guò)鋁合金層時(shí)開始發(fā)生形變,直至C點(diǎn)到D點(diǎn)期間進(jìn)入穩(wěn)定的全鉆切削過(guò)程,形變才逐漸恢復(fù)至正常加工狀態(tài),過(guò)進(jìn)給現(xiàn)象結(jié)束。(2)裝夾方式改進(jìn)后的鉆削過(guò)程為了證明上面得出的結(jié)論,將更厚的鋁合金層放置在鉆削出口、使用工裝裝夾并在工件底端加墊支承板,從而避免工件發(fā)生過(guò)多的形變影響實(shí)際加工質(zhì)量。將裝夾方式改進(jìn)后得到的軸向力變化趨勢(shì)如圖5所示。自A點(diǎn)鉆尖鉆入CFRP層直至C點(diǎn)切削刃完全進(jìn)入該層,切削力保持穩(wěn)定的加速度,持續(xù)增長(zhǎng),在D點(diǎn)前維持穩(wěn)定的切削狀態(tài)。圖5

裝夾改進(jìn)后的軸向力變化趨勢(shì)將圖5與圖4的變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比可知:軸向力變化至A點(diǎn)時(shí),鉆尖穿透鋁合金層,經(jīng)過(guò)膠連層小幅回落后,軸向力迅速以穩(wěn)定的斜率增長(zhǎng),直至鉆頭主切削刃完全進(jìn)入CFRP層后達(dá)到峰值平臺(tái),并進(jìn)入全鉆穩(wěn)定切削階段。對(duì)比可知,圖4中軸向力由B點(diǎn)增大到C點(diǎn)的過(guò)程,持續(xù)時(shí)間短且斜率過(guò)大,確有過(guò)進(jìn)給現(xiàn)象出現(xiàn)。(3)主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min的鉆削過(guò)程當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min、進(jìn)給量為0.04mm/r時(shí),鉆削過(guò)程軸向力變化趨勢(shì)如圖6所示。轉(zhuǎn)速的提高進(jìn)一步降低了鉆頭的穩(wěn)定性,這使得CFRP表面結(jié)構(gòu)不均的影響被放大,在鉆尖嘗試鉆入CFRP層時(shí),兩者接觸產(chǎn)生了短時(shí)極大的軸向力,更易造成CFRP的層間分層缺陷。圖6

鉆削過(guò)程軸向力變化趨勢(shì)(1500r/min)轉(zhuǎn)速的提高也加劇了切削刃外緣與工件之間的相互作用,鉆頭外緣在經(jīng)過(guò)CFRP層出口側(cè)時(shí),與碳纖維產(chǎn)生拉扯,導(dǎo)致軸向力回升并形成毛刺缺陷,導(dǎo)致孔壁質(zhì)量嚴(yán)重下降。(4)主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)鉆削軸向力的影響圖7及圖8展示了主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量的變化對(duì)鉆削CFRP及鋁合金時(shí)軸向力的影響。主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向力的影響非常小,不論是鉆削CFRP還是鉆削鋁合金,主軸轉(zhuǎn)速都幾乎沒(méi)有引起軸向力的變化。進(jìn)給量對(duì)軸向力的影響基本上呈線性關(guān)系,在控制過(guò)大進(jìn)給量對(duì)分層缺陷形成影響的情況下,可以適當(dāng)增加進(jìn)給以提高效率。重復(fù)試驗(yàn)表明,刀具磨損對(duì)鋁合金的影響較小,而對(duì)于鉆削CFRP的影響顯而易見(jiàn)。刀具磨損無(wú)論是涂層剝落還是前刀面及刃口的磨損,都會(huì)導(dǎo)致刀具切削能力的下降,從而在切削CFRP的過(guò)程中,加大切斷碳纖維的困難程度,最終體現(xiàn)為軸向力的增長(zhǎng)。

圖7CFRP層鉆削軸向力

圖8

鋁合金層鉆削軸向力3.2加工質(zhì)量分析(1)表面粗糙度分析表面粗糙度是評(píng)價(jià)表面加工質(zhì)量最重要、最明顯的指標(biāo)之一,本試驗(yàn)中利用表面粗糙度值定量地衡量加工表面質(zhì)量。對(duì)于CFRP,雖然存在各向異性和碳纖維取向的問(wèn)題,不能完全依賴表面粗糙度進(jìn)行衡量,但是由于鋪層相同,可采用每個(gè)孔4個(gè)固定角度位置的表面粗糙度測(cè)量值取平均數(shù)的方法,通過(guò)橫向?qū)Ρ葋?lái)評(píng)價(jià)加工質(zhì)量的高低。本試驗(yàn)中表面粗糙度的采集方式有三種,第一種為上層鋁合金的表面粗糙度測(cè)量,采樣長(zhǎng)度為1.75mm,用以衡量上層鋁合金的加工質(zhì)量。第二種為CFRP層的表面粗糙度測(cè)量,采樣長(zhǎng)度為5.60mm用以衡量CFRP層的加工質(zhì)量。第三種為上層鋁合金和CFRP層的表面粗糙度連帶測(cè)量,采樣長(zhǎng)度為5.60mm,采樣起始位置為入口處軸向向下約0.50mm處,用以衡量上兩層連接處的加工質(zhì)量。圖9為主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)表面加工質(zhì)量的影響。對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō),主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的改變對(duì)表面質(zhì)量沒(méi)有太大影響,鋁合金的表面粗糙度在各轉(zhuǎn)速下都依然保持了相當(dāng)不錯(cuò)的水平。對(duì)于CFRP來(lái)說(shuō),進(jìn)給量是最大的影響因素,進(jìn)給量的增加導(dǎo)致在碳纖維的剪切斷裂中,無(wú)法形成穩(wěn)定一致的剪切斷口,表面質(zhì)量的下降非常明顯,同時(shí)主軸轉(zhuǎn)速的上升導(dǎo)致鉆削穩(wěn)定性下降,對(duì)表面粗糙度也有一定的影響。

a)CFRP表面粗糙度

b)上層鋁合金表面粗糙度

c)上兩層連接處表面粗糙度

圖9

主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)表面質(zhì)量的影響(2)加工缺陷分析疊層材料常見(jiàn)的層間毛刺在本工件的加工中由于層間的膠連得以避免,由于入口側(cè)和出口側(cè)均由加工性較好的鋁合金構(gòu)成,所以入口和出口也并未出現(xiàn)明顯的加工缺陷。加工缺陷主要集中在以下幾個(gè)方面。1)上層連接處附近的鋁合金和CFRP表面加工質(zhì)量下降:在鉆削過(guò)程中,鉆頭的軸向推擠引發(fā)了過(guò)進(jìn)給現(xiàn)象,導(dǎo)致上層連接處附近的鋁合金和CFRP加工質(zhì)量都有明顯下降,如圖10a所示。2)下層連接處和CFRP的分層缺陷:在鉆頭外緣經(jīng)過(guò)下層連接處時(shí),軸向力超過(guò)了層間的結(jié)合力和膠連的結(jié)合力,下層支承不足導(dǎo)致下層鋁合金和CFRP出口層被軸向力帶著向下運(yùn)動(dòng),與已加工的表面分開形成分層及毛刺等缺陷,如圖10b所示。3)CFRP層的孔壁劃傷:在鉆削下層鋁合金時(shí),成屑方向垂直于主切削刃的方向,帶狀鋁合金切屑在順著刀柄螺旋槽排除的過(guò)程中剮蹭CFRP層孔壁,造成表面質(zhì)量下降,呈現(xiàn)為如圖10c所示的孔壁劃傷。刀具穩(wěn)定性的下降極大地加大了孔壁劃傷的嚴(yán)重程度。

a)上層連接處附近表面質(zhì)量

b)下層連接處和CFRP分層缺陷

c)CFRP層的孔壁劃傷

圖10

工件表面缺陷3.3參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)及產(chǎn)品驗(yàn)證(1)參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)在了解了鉆削力變化趨勢(shì)及主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量對(duì)加工質(zhì)量的影響之后,在主軸轉(zhuǎn)速為500r/min,進(jìn)給量在0.04mm/r附近,設(shè)置了兩組單因素試驗(yàn),進(jìn)行更加詳細(xì)的參數(shù)優(yōu)選及推薦。具體的優(yōu)選試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2,其余試驗(yàn)條件未作改動(dòng)。表2優(yōu)選鉆削試驗(yàn)參數(shù)

參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)中,主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)軸向力的影響如圖11所示,同樣進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)以考慮刀具磨損對(duì)鉆削過(guò)程的影響。

a)主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向力的影響

b)進(jìn)給量對(duì)軸向力的影響

圖11

主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)軸向力的影響根據(jù)前面的結(jié)論,軸向力的變化與表面粗糙度有非常強(qiáng)的相關(guān)性,采用軸向力較小的參數(shù)時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出較為優(yōu)秀的表面質(zhì)量。過(guò)小的主軸轉(zhuǎn)速會(huì)降低刀具的切削能力,從而導(dǎo)致在CFRP的鉆削中出現(xiàn)軸向力增大,表面質(zhì)量下降的情況,同時(shí),過(guò)小的主軸轉(zhuǎn)速也會(huì)加重刀具磨損,不利于保持刀具的壽命。鉆頭直徑的增大使得主軸轉(zhuǎn)速的升高對(duì)鉆頭穩(wěn)定性的影響更嚴(yán)重,進(jìn)而導(dǎo)致零件表面質(zhì)量下降。進(jìn)給量對(duì)加工質(zhì)量的影響則呈現(xiàn)為線性規(guī)律,進(jìn)給量過(guò)大會(huì)引起零件表面質(zhì)量的急速下降。參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)表明,在Al/CFRP/Al疊層材料大孔徑制孔的加工中,主軸轉(zhuǎn)速在500~700r/min均能保持較好的加工質(zhì)量;進(jìn)給量在0.04mm/r及以下時(shí),加工質(zhì)量都相當(dāng)不錯(cuò),在進(jìn)給量增大到0.06mm/r以上時(shí),CFRP的表面質(zhì)量有明顯的下降趨勢(shì)。(2)產(chǎn)品驗(yàn)證工藝技術(shù)試驗(yàn)完成后,相關(guān)工藝方法在空間站產(chǎn)品及衛(wèi)星產(chǎn)品中開展應(yīng)用,其中碳纖維蒙皮蜂窩板、碳纖維框架貼片、復(fù)材承力筒零件等產(chǎn)品使用該工藝方法進(jìn)行產(chǎn)品加工后,制孔質(zhì)量及孔徑精度均能滿足設(shè)計(jì)圖樣要求,加工效果良好。該工藝方法后續(xù)將廣泛運(yùn)用在復(fù)合材料疊層產(chǎn)品中,加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。4

結(jié)束語(yǔ)1)加工缺陷的主要形式為CFRP出口側(cè)的分層缺陷及孔壁劃傷缺陷,這是由于刀具切削能力下降或軸向力過(guò)大導(dǎo)致,可以通過(guò)采用合適的主軸轉(zhuǎn)速并

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