GFRP材料螺旋铣孔时的制孔质量研究
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2024-09-10 17:04
四川
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朴昌海，金成哲，王天宇，刘玮. GFRP材料螺旋铣孔时的制孔质量研究[J]. 工具技术, 2024, 58(7):31-35.Piao Changhai，Jin Chengzhe，Wang Tianyu，Liu Wei. Study on quality of spiral milling hole making in GFRP material[J]. Tool Engineering, 2024, 58(7):31-35.GFRP（玻璃纤维增强材料）具有高强度、高刚度和抗腐蚀的特点，被广泛应用于航空航天、石油化工和风力发电等领域。由于GFRP材料具有各向异性、非均质的特点，传统的钻孔方法极易产生孔口毛刺、撕裂、分层等缺陷，螺旋铣孔方法可以有效避免这些缺陷的产生，因此，探究螺旋铣孔切削参数对制孔质量的影响规律具有十分重要的意义。彭栋梁等通过对比镗铣和螺旋铣2Cr13试验，验证了螺旋铣孔可以应用于孔精加工的可行性。Qinglong A.等应用准静态拉伸试验和动态疲劳试验研究了CFRP/Ti叠层材料使用不同的钻孔方法对静态力学和疲劳性能的影响。董志刚等通过模拟螺旋铣孔CFRP中不同端齿隙角和导程组合下的切屑形状，得出增大端齿隙角和减小导程可以使端刃中心区域不参与切削，以减小螺旋铣孔轴向力带来的影响。姚琦威等研究钻孔加工CFRP/Ti叠层的刀具角度对钻削轴向力及温度的影响，得到钻头顶角会随着轴向力的增大而增大的结论。袁向东等以数学模型为基础使用遗传算法和神经网络提高加工表面粗糙度的预测精度，并预测铣削GFRP的最佳切削用量。Jenarthecnan M.等以提高表面粗糙度、材料去除率为指标，应用模糊逻辑的田口算法对加工参数进行优化。王天宇等通过钻削T300碳纤维复合材料的仿真与试验的数据对比，得到入口侧的质量优于出口侧质量的结论，对出入口撕裂、孔径尺寸误差影响最大的因素是钻头直径。苏春杰等进行常温干式和低温湿式的切削加工CFRP试验发现，在低温切削的条件下加工孔质量更好。Hemant K.等使用螺旋铣方式对多材料纤维金属层压板进行孔加工发现，轴向进给螺距是影响加工温度、出入口孔径精度的最大参数，主轴速度增加使表面粗糙度急剧下降。周井文等设计了金刚石涂层立铣刀对GFRP材料进行切削刀具耐用度的试验，发现切削力轴向力会随刀具的磨损增加而增加，刀具副偏角则显著影响加工表面质量。Srinivasan T.等应用创建响应曲面设计研究加工参数对GFR-PP分层因子所带来的影响表明，影响分层因子的最大因素是进给量。综上所述，目前国内外学者对纤维增强类材料加工的研究主要集中在螺旋铣孔和钻孔的切削力、切削参数优化及提高加工精度等方面，而针对GFRP螺旋铣孔制孔质量方面的研究很少。本文采用螺旋铣孔方法对GFRP进行了切削试验，深入研究切削参数对螺旋铣孔和制孔质量的影响规律，为GFRP的螺旋铣孔生产实践提供理论研究基础。GFRP材料螺旋铣孔试验采用整体硬质合金氮化铝钛纳米复合涂层铣刀。刀体材质优化了碳化钽和碳化铌，增加了钴Co含量，参数见表1。工件材料选用以邻苯树脂为基体，并使用玻璃纤维作为增强材料，其特征参数如表2所示，工件尺寸为480mm×80mm×10mm。试验设备为VMC850E立式数控加工中心，加工现场如图1所示。试验加工的孔径选取为14mm，刀具偏心距e为2mm，加工通孔深度为10mm。试验检测装置采用Keyence的VHX1000C超景深显微镜和TIME3200探针式表面粗糙度测量仪。选取切削速度vc、刀具中心公转转速ω和轴向进给螺距u为螺旋铣孔试验参数。其中，刀具中心公转转速ω是螺旋铣削加工中螺旋插补进给方式而定义的参数，它与刀具偏心距e、铣刀齿数z、铣刀转速n以及每齿进给量fz存在一定的函数关系，即2πeω=fzzn。根据试验因素和水平数设计正交试验表，如表3所示。采用表面粗糙度仪分别对试验得到的孔壁表面不同位置进行测量，去除异常数据，其余数据取其平均值，得到每个孔壁表面粗糙度值。采用极差分析法对正交试验结果进行计算分析（见表4）。结果表明，在螺旋铣孔切削参数中，对表面粗糙度影响大小依次是切削速度、刀具公转转速和轴向进给螺距。由K值可得，在试验参数范围内，最优切削参数为切削速度70m/min、公转转速30r/min、轴向进给螺距0.1mm。
刀具中心公转转速为30r/min，轴向进给螺距为0.1mm，切削速度分别为40m/min，70m/min，100m/min，130m/min进行单因素螺旋铣孔试验。由试验结果（见图2）可知，随着切削速度的增大，孔壁表面粗糙度增大，且增大程度随切削速度的增大而增加。因为随切削速度的增大，径向切削力随之增加，切削振动振幅加大，从而导致孔壁的表面粗糙度增大。另一方面，由于GFRP材料的导热性差，切削速度持续上升会产生过高的切削热，切削过程中融化的树脂材料会粘结在刀具表面，进一步影响孔壁表面粗糙度。选择切削速度为40m/min，轴向进给螺距为0.1mm，刀具中心公转转速分别为30r/min，40r/min，50r/min，60r/min进行单因素螺旋铣孔试验。由试验结果（见图3）可知，随着公转转速的增加，孔壁表面粗糙度增大，当公转转速高于40r/min时，孔壁表面粗糙度增大程度逐渐变缓。因为随公转速度的增加，铣刀底刃的轴向切削深度和侧刃径向切削深度保持不变，刀具克服工件变形的阻力增加，同时增大刀具磨损，从而影响孔壁表面粗糙度。另一方面，随着刀具的公转转速进一步上升，适量的切削热会软化树脂基体，从而产生变形较小的基体及纤维组成的切屑。同时，切屑会将过量的切削热带离工件，在公转转速大于40r/min后表面粗糙度增大程度减缓。选择切削速度为40m/min，刀具中心公转转速30r/min，轴向进给螺距分别为0.1mm，0.15mm，0.2mm，0.25mm，进行单因素螺旋铣孔试验。由试验结果（见图4）可知，随着轴向进给螺距的增大，孔壁表面粗糙度会增加。因为随轴向进给螺距的增大，铣刀底刃的轴向每齿进给量和侧刃轴向切削深度都会增加，导致切削刃没有完全切断纤维，从而增加孔壁表面残留高度，进而加大了孔壁表面粗糙度。试验选择VHX1000C超景深显微镜，在每次试验后的孔出入口侧圆周方向的不同位置测量孔径尺寸五次，取其平均值获得测量数据（见图5）。采用极差分析法对GFRP螺旋铣孔孔径尺寸误差的正交试验结果进行分析（见表5）。由分析结果可知，在螺旋铣孔切削参数中，影响孔径尺寸误差的最大切削参数为刀具公转转速，其次是切削速度和轴向进给螺距。结合K值分析可得，在试验参数范围内，最优切削参数组合为切削速度70m/min、公转转速30r/min、轴向进给螺距0.15mm。
采用VHX1000C超景深显微镜分别对GFRP螺旋铣孔和钻孔的出入口形貌进行观测，得到如图6和图7所示不同制孔方法的孔口缺陷形貌。(a)vc=40m/min，ω=40r/min，u=0.15mm(b)vc=70m/min，ω=30r/min，u=0.15mm(c)vc=100m/min，ω=40r/min，u=0.1mm由图6可知，螺旋铣孔的孔出口侧无明显撕裂，而入口侧有轻微撕裂。由图7可知，钻孔的孔出口侧制孔缺陷较为严重，入口侧撕裂情况于出口侧相对较好。这是因为钻孔和螺旋铣孔在切入材料过程中，其切削力大小和方向不同；在钻孔加工中，钻头缓慢进入工件且轴向力缓慢增加，故孔径的入口侧质量较好。而螺旋铣孔切入工件的过程较为迅速，切向力在短时间内达到最大值，同时侧刃对孔壁材料切出时，在侧刃与底刃的共同作用下造成孔的入口侧易发生撕裂。(a)vc=40m/min，vf=20mm/min(b)vc=70m/min，vf=10mm/min(c)vc=100m/min，vf=20mm/min（1）影响GFRP螺旋铣孔孔壁表面粗糙度由大至小依次为切削速度、刀具公转转速、轴向进给螺距，最优切削参数为vc=70m/min，ω=30r/min，u=0.1mm。切削速度、刀具公转转速和轴向进给螺距均与孔壁表面粗糙度呈正比关系，但变化程度略有不同。（2）影响GFRP螺旋铣孔的孔径尺寸误差由大至小分别为刀具公转转速、切削速度以及轴向进给螺距，得到最优切削参数组合为vc=70m/min，ω=30r/min，u=0.15mm。（3）对比分析GFRP螺旋铣孔和钻孔的出入口形貌可知，螺旋铣孔的孔入口侧的缺陷较多；而钻孔的孔口缺陷更多的出现在出口侧。⊙文章版权归《工具技术》所有，欢迎转发，转载请联系。E-mail：toolmagazine@chinatool.nethttp://gjjs.cbpt.cnki.net工研所官方微信
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