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    电镀金刚石工具_以磨代铣_C_E复合材料的试验研究.pdf

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    电镀金刚石工具_以磨代铣_C_E复合材料的试验研究.pdf

    2010 年第 22 期航空制造技术89仿真与优化SIMULATION AND OPTIMIZATION[摘要] 针对硬质合金铣刀铣削加工碳纤维 / 树脂 C/E 复合材料极易产生毛刺、 纤维撕裂等缺陷且刀具磨损严重的特点, 尝试采用研制的电镀金刚石工具对C/E 复合材料盲槽进行干式加工试验, 并与传统的硬质合金铣刀进行对比。通过对加工后的盲槽表面质量、 加工力以及刀具磨损分析, 确认用 “以磨代铣”的工艺方式实现 C/E 复合材料盲槽加工是可行的。关键词 碳纤维/树脂复合材料 电镀金刚石工具 “以磨代铣” 表面加工质量[ABSTRACT] For the process of milling carbon/epoxyC/E surface with cemented carbide mill cutter is easy to produce burrs, fi ber tearing and other defects and severe tool wear, the electroplated diamond tool developed is used to dry grinding, instead of milling, a blind-slot on the C/E composites surface. Experimental results show that better surface quality and lower force or tool wear are obtained compared with milling with traditional cemented carbide mill cutter.Keywords Carbon/epoxy composites Elec-troplated diamond tool Grinding instead of milling Surface quality碳纤维 / 树脂 Carbon/Epoxy ,C/E 复合材料是一种高性能、 多功能的先进复合材料, 具有比强度大、 比模量高、 热膨胀系数低及吸振性好等优点, 在飞机机翼、 大型运载火箭舱段、 航天飞行器舱体、 导弹发射架等航空航天与国防军工新产品的研制与生产中得到越来越广泛的应用。但是 C/E 复合材料具有硬度高、 脆性大、 层间强度低、 各向异性及非均质性等特点, 是典型的难加工材料。通常 C/E 复合材料构件成型后, 为了满足其功能要求, 需要进行相应的二次加工, 特别需要进行大量的开盲槽、 开窗口加工及打磨法兰端面等。铣削是纤维复合材料构件二次加工最常用的加工方式之一, 可获得高精度的表面加工质量[1]。在铣削加工过程中, 硬质合金铣刀仍然被大量的使用。然而, 在利用硬质合金刀具铣削 C/E 复合材料的加工过程中, 材料极易产生分层、 毛刺、 残余应力等加工缺陷, 刀具磨损严重, 且加工成本较高[2]。目前, 针对C/E复合材料的铣削加工国内外相关研究已有报道, Kalla[3]等人提出了 C/E 复合材料铣削加工过程中铣削力的预测模型。Ramulu[4]等人开展了加工纤维树脂基复合材料的研究, 总结出提高切削速度能产生好的表面加工质量。Hocheng[5]等人研究了铣削 C/E 复合材料过程中不同碳纤维方向对切削力、 加工质量和刀具磨损的影响。 J. Paulo[6]等人研究了铣削加工过程中不同加工参数 (主轴转速和进给量) 对 C/E 复合材料加工表面粗糙度和层间分层的影响。张厚江[7]等人对 C/E 复合材料的二元直角自由切削机理进行了分析研究。然而, 这些研究主要是针对硬质合金铣刀的铣削加工, 针对电镀金刚石工具“以磨代铣”加工 C/E 复合材料的研究目前鲜有报道。采取“以磨代钻”新工艺方式对 C/E 复合材料钻孔时, 可以克服传统钻削加工所存在的层间分层、 出入口侧纤维撕裂、 毛刺等问题, 保证较高的加工精度及表面质量[8-9], 所以本课题结合 C/E 复合材料的特点, 提出采取 “以磨代铣” 的工艺方式实现 C/E 复合材料盲槽加工。主要以电镀金刚石工具磨削加工为研究对象, 进行干式加工盲槽试验, 并以硬质合金铣刀为参照, 考察 2 种刀具加工盲槽过程中的加工力、 表面加工质量以及刀具磨损等方面的特点, 研究电镀金刚石工具磨削 C/E 复合材料的加工性能。1 试验条件试验所用机床为立式加工中心 (DG-100, 主轴转速 012000r/min; 功率 7.5kW; 三轴分辨率 0.001mm) 。铣削力信号采集系统由K istler 9257B 三向测力仪、Kistler 5007 型电荷放大器、 数据采集器 (IDTSUSB 8516, 成都中科仪器)等组成。试验装置如图 1 所示。利用 Kistler 9257B 三向测力仪对主切削力 Fx、 径向力电镀金刚石工具“以磨代铣”C/E 复合材料的试验研究*Experimental Research on C/E Composites Grinding Instead of Milling With Electroplated Diamond Tool 大连理工大学机械工程学院 王文杰 高 航航天材料及工艺研究所 董 波 李兰柱* 国家自然科学基金项目 50875034 和高技术研究发展计划项目863 计划, 2009AA044304 资助。90航空制造技术2010 年第 22 期仿真与优化SIMULATION AND OPTIMIZATIONFy进行采集, 其测量方向如图 2 所示。试验所用刀具分别为硬质合金铣刀、 电镀金刚石工具 (基体 45 钢, 磨料粒度 70 ~ 80, 结合剂金属镍) ,直径为 D8mm, 如图 3 所示。试验材料为 T300/AG80 型 C/E 复合材料, 铺叠方向为 [45 /90 /135 /0 3]s, 碳纤维所占体积比为605, 主要性能参数如表 1 所示。试验加工方式为干式加工, 试验参数如表 2 所示。2 试验结果与分析2.1 表面加工质量采用超景深三维显微镜对加工后的表面形貌进行检测。不同主轴转速、 刀具进给量条件下, 分别采用电镀金刚石工具、 硬质合金铣刀对 C/E 复合材料进行盲槽加工, 其表面加工质量如图 4 所示。牌号 T300/AG-80 环氧树脂密度 /(gcm-3) 1.45拉伸强度 /MPa 137.3比强度 /(MPa (gcm-3-1) 1014比模量 /(MPa (gcm-3-1) 94.7表1 C/E复合材料性能参数加工参数 数值主轴转速 n/(rmin-1) 3000、 4500、 6000、 7500刀具进给量 f /(mmmin-1) 75、 150、 225、 300加工深度 ap/mm 0.9、 1.3、 1.7、 2.1表2 试验参数图1 试验装置照片Fig.1 Photo of experiment set-up电主轴刀具三向测力仪工件图2 力测量方向Fig.2 Measuring direction of forces刀具进给方向FxFyw刀具a 硬质合金铣刀加工( n 7500r/min, f75mm/min)c 电镀金刚石工具加工( n 3000r/min, f75mm/min)b 电镀金刚石工具加工( n 7500r/min, f75mm/min)d 电镀金刚石工具加工( n 7500r/min, f225mm/min)图4 表面加工质量 ap 1.7mmFig.4 Surface quality 1000um1000um1000um1000uma 硬质合金铣刀b 电镀金刚石工具图3 刀具照片Fig.3 Photo of cutting tools排屑槽2010 年第 22 期航空制造技术91仿真与优化SIMULATION AND OPTIMIZATION从图 4(a)和 4(b)可以看出, 在相同加工条件下分别采用 2 种刀具加工的盲槽表面加工质量存在明显差异, 且采用电镀金刚石工具的表面加工质量明显优于硬质合金铣刀表面加工质量。电镀金刚石工具磨削加工盲槽表面几乎无毛刺、 撕裂现象产生, 加工端面整齐。然而, 硬质合金铣刀铣削加工盲槽表面产生大量毛刺,且纤维撕裂严重。可知, 采用电镀金刚石工具磨削加工C/E复合材料时, 可以有效地抑制加工表面缺陷的产生,从而得到高质量的加工表面。由图 4(b)和 4(c) 、 4(b)和 4(d)可知, 不同主轴转速或不同刀具进给量下电镀金刚石工具磨削加工C/E 复合材料盲槽时, 表面加工质量有明显不同。4(b)表面加工质量明显优于 4(c) 、 4(d)表 面加工质量, 加工质量理想, 无任何毛刺和纤维撕裂产生。故采用电镀金刚石工具磨削加工 C/E 复合材料时, 提高主轴转速或适当减小刀具进给量, 可以有效地减小缺陷的产生, 保证了盲槽表面加工质量。2.2 切削力在实际加工中, 最大切削力直接影响着切削热的产生、 刀具磨损、 刀具耐用度及已加工表面的质量。同时,最大加工力又是计算切削效率, 设计和使用机床、 刀具及夹具的理论依据。因此研究最大加工力及其变化规律, 对实际加工有着重要指导意义。相同加工参数下硬质合金铣刀、 电镀金刚石工具加工 C/E 复合材料时, 力 Fx、 Fy的特征曲线如图 5 所示。从图 5(a)可知, 加工过程中电镀金刚石工具磨削力的特征曲线具有间隔性, 即一段时间内磨削力 Fx、 Fy的值接近于 0。因电镀金刚石工具的金刚石颗粒裸露高度小, 则容屑空间小, 易引起排屑不畅, 又由于 C/E 复合材料中含有环氧树脂成分, 切屑具有很高的粘附作用, 所以很容易造成刀具糊结现象, 埋没金刚石颗粒, 导致刀具失效, 故在刀具前端开有 2 个排屑槽, 如图 3(b)所示, 增加排屑量, 提高刀具寿命。因为排屑槽的作用,所以采集到电镀金刚石工具磨削力的特征曲线具有间隔性。从图 5 可知, 2 种刀具加工力特征曲线随着加工的不断进行成周期性变化。电镀金刚石工具进行磨削时, 实质是一个近似铣削的过程, 由于其表面金刚石颗粒形状的复杂性, 通常把它的作用比拟为铣刀, 而把切刃看做是铣刀刀齿, 切刃沿圆周方向以一定的间隔均匀排列[10]。加工时, 瞬时加工力的大小与瞬时切削面积有关, 在一单齿的切削过程中, 切削面积主要与切削深度、 切削层厚度有关, 当切削深度一定时, 瞬时加工力随切削层厚度的变化而变化。加工盲槽时, 由于切削层厚度在一单齿的切削过程中, 是先增大后减小的过程, 随着切削层厚度的变化, 切削面积成周期性的变化, 故硬质合金铣刀和电镀金刚石工具的加工力成周期性的变化。从图5可知, 电镀金刚石工具磨削力的最大值小于硬质合金铣刀铣削力的最大值。加工时, 电镀金刚石工具主切削部分是许多带有锋利微小切刃的金刚石颗粒所形成的圆环形, 与相同直径硬质合金铣刀的切削刃相比, 其切削层面积大大减少, 所以磨削力的最大值大幅度降低。电镀金刚石工具磨削力 Fx的最大值约是硬质合金铣刀 Fx最大值的 50, 其 Fy的最大值约是硬质合金铣刀 Fy最大值的 60。 由上可知, 加工盲槽时, 电镀金刚石工具的加工性能优于硬质合金铣刀的加工性能。2 种刀具加工 C/E 复合材料时主轴转速对最大加工力的影响规律如图 6 所示。由图 6 可知, 硬质合金铣刀、电镀金刚石工具的最大加工力均随着主轴转速的增加而减小。主轴转速影响刀具前刀面上的平均摩擦系数,120600120600700-70700-70Fx / NFx / NFy / NFy / N28.0628.0628.0628.0628.0828.0828.0828.0828.1028.1028.1028.1028.12 28.1328.1328.1328.1328.1228.1228.12图5 加工力特征曲线( n6000r/min, ap1.7mm, f 75mm/min)Fig.5 Feature curve of machining forces( n6000r/min, ap1.7mm, f 75mm/min)采样时间 t /s采样时间 t /s采样时间 t /s采样时间 t /s(a)电镀金刚石工具(b) 硬质合金铣刀92航空制造技术2010 年第 22 期仿真与优化SIMULATION AND OPTIMIZATION而硬质合金铣刀最大铣削力变化幅度大, 并且在相同的加工条件下, 电镀金刚石工具最大磨削力始终小于硬质合金铣刀最大铣削力。可知, 电镀金刚石工具比硬质合金铣刀更适合进行 C/E 复合材料的盲槽加工。由于主轴转速、 刀具进给量、 加工深度的增加对电镀金刚石工具最大磨削力的影响幅度小, 从加工刀具的载荷、 能量消耗及加工效率方面来讲, 在满足加工要求的前提下,加工时可适当提高刀具主轴转速、 增加刀具进给量和加工深度。2.3 刀具磨损图 9 为电镀金刚石工具和硬质合金铣刀在相同加工条件下加工 C/E 复合材料时 , 加工长度对最大加工力的影响曲线。根据铣削过程中刀具磨损的实际状况, 分别在加工长度为 0mm、 400mm、 800mm、 1200mm、1600mm、 2000mm 时观察盲槽表面形貌和刀具磨损, 并4003002001000最大加工力Fa / N0 500 1000 1500 2000加工长度 /mm电镀金刚石工具最大主切削力 Fgx硬质合金铣刀最大主切削力 Fmx电镀金刚石工具最大径向力 Fgy硬质合金铣刀最大径向力 Fmy图9 加工长度与最大加工力( n 7500r/min, f 150mm/min, ap1.7mm)Fig.9 Processing length and maximum machining force( n 7500r/min, f 150mm/min, ap1.7mm)当主轴转速提高时, 切削温度随之增加, 导致摩擦系数减小, 从而使切屑与刀具前刀面间的平均摩擦角减小,则剪切角增大, 剪切角增大导致加工力减小。2 种刀具加工 C/E 复合材料时刀具进给量、 加工深度对最大加工力的影响规律如图 7 和图 8 所示。由图7和图8可知, 硬质合金铣刀与电镀金刚石工具的最大加工力均随着刀具进给量、 加工深度的增加呈递增趋势。随着刀具进给量、 加工深度的增大, 切削层面积增大, 从而使材料弹、 塑性变形及刀具与材料摩擦力增大,导致最大加工力增大。由图6~图8可知, 电镀金刚石工具最大磨削力随主轴转速、 刀具进给量及加工深度的增加变化幅度小,300225150750最大加工力Fa / N3000 4500 6000 7500主轴转速 n/(rmin-1)电镀金刚石工具最大主切削力 Fgx硬质合金铣刀最大主切削力 Fmx电镀金刚石工具最大径向力 Fgy硬质合金铣刀最大大径向力 Fmy图6 主轴转速与最大加工力( f 75mm/min, ap1.7mm)Fig.6 Spindle speed and maximum machining force( f 75mm/min, ap1.7mm)360270180900最大加工力Fa / N60 120 180 240 300刀具进给量 f /(mmmin-1)电镀金刚石工具最大主切削力 Fgx硬质合金铣刀最大主切削力 Fmx电镀金刚石工具最大径向力 Fgy硬质合金铣刀最大径向力 Fmy图7 刀具进给量与最大加工力n 7500r/min, ap1.7mm Fig.7 Tool feed rate and maximum machining forcen 7500r/min, ap1.7mm 16012080400最大加工力Fa / N1.0 1.5 2.0 2.1加工深度 ap/mm电镀金刚石工具最大主切削力 Fgx硬质合金铣刀最大主切削力 Fmx电镀金刚石工具最大径向力 Fgy硬质合金铣刀最大径向力 Fmy图8 加工深度与最大加工力n7500r/min, f 75mm/minFig.8 Milling depth and maximum machining forcen7500r/min, f 75mm/min2010 年第 22 期航空制造技术93仿真与优化SIMULATION AND OPTIMIZATION进行最大加工力试验点采集。由图9可知, 随着盲槽加工长度的增加, 2 种刀具的最大加工力逐渐增加。电镀金刚石工具磨削加工 C/E 复合材料时, 随着加工长度的增加, 最大磨削力的大小及其增加幅度远小于硬质合金铣刀, 而硬质合金铣刀随着加工长度的增加刀具磨损迅速, 最大铣削力迅速增加。加工长度 l0mm 时, 硬质合金铣刀加工盲槽时最大主切削力约是电镀金刚石工具的 2 倍, 最大径向力约是电镀金刚石工具的 2.2 倍; 加工长度 l2000mm 时, 硬质合金铣刀加工盲槽时最大主切削力约是电镀金刚石工具的4倍, 最大径向力约是电镀金刚石工具的 5.3 倍。不同加工长度, 2 种刀具加工盲槽时表面加工质量如图 10 所示。由图 10(a) 和 10(c) 、 10(b) 和 10(d)可知, 随着加工长度的增加, 硬质合金铣刀铣削表面加工质量比电镀金刚石工具磨削表面加工质量变化明显。当加工长度 l2000mm 时, 电镀金刚石工具磨削表面加工质量明显优于硬质合金铣刀铣削表面加工质量, 硬质合金铣刀铣削加工表面出现严重撕裂并伴随着大量毛刺产生, 而电镀金刚石工具磨削加工表面几乎无毛刺、纤维撕裂现象, 加工端面整齐, 表面加工质量好。可知,当采用 2 种刀具加工 C/E 复合材料时, 在刀具耐用度方面, 电镀金刚石工具优于硬质合金铣刀, 刀具耐用度高,并且随着加工过程的进行, 最大磨削力变化稳定, 盲槽表面加工质量有保证。盲槽加工长度 l2000mm 时, 2 种刀具表面形貌如图 11 所示。由图 11 可知, 2 种刀具的磨损方式和磨损部位完全不同。从图 11(a)可知, 铣削加工 C/E 复合材料时, 硬质合金铣刀主要是刀具主后刀面的磨损。加工时在高温高压下,C/E 复合材料表面与刀具后刀面之间, 由于吸附膜被挤破, 造成了 C/E 复合材料表面与硬质合金铣刀表面的钨 W 和钴 Co 元素的直接接触, 当接触面之间达到原子间距离时, 就发生了粘接。当刀具切削 C/E 复合材料时, 发生相对运动, 粘接点不断被剪切破裂, 由于刀具表面不可避免的存在结构缺陷, 刀具表面发生剪切破裂, 使刀具表面的钨W和钴Co颗粒被工件带走,故刀具表面硬度逐渐降低, 造成了铣刀后刀面的磨损。从图 11(b)可知, 磨削加工 C/E 复合材料时, 电镀金刚石工具主要磨损形式是金刚石颗粒钝化磨损、 折平磨损、 破碎磨损等。在磨削加工过程中, 金刚石颗粒在高速状态下对 C/E 复合材料进行切削, 并伴随耕犁和滑擦作用, 产生剧烈的摩擦, 磨粒切削的同时也被磨损失去尖锐棱边而逐渐钝化, 造成钝化磨损、 折平磨损。同a 硬质合金铣刀加工( l0mm)c 硬质合金铣刀加工( l2000mm)b 电镀金刚石工具加工( l0mm)d 电镀金刚石工具加工( l2000mm)图10 表面加工质量( n 7500r/min, f 150mm/min, ap1.7mm)Fig.10 Surface quality( n 7500r/min, f 150mm/min, ap1.7mm)1000um1000um 1000um1000um1000uma 硬质合金铣刀 b 电镀金刚石工具图11 刀具磨损形貌Fig.11 Morphology of tool wear折平磨损颗粒破碎磨损颗粒末磨损颗粒钝化磨损颗粒主后刀面主后刀面副后刀面前刀面300um200um94航空制造技术2010 年第 22 期仿真与优化SIMULATION AND OPTIMIZATION时由于磨削过程中金刚石颗粒承受交变冲击应力的作用, 使其产生疲劳裂纹或内部潜在裂纹和晶体缺陷的扩展, 最终导致磨粒产生局部破碎, 造成破碎磨损。3 结论(1) “以磨代铣”的加工方式实现对 C/E 复合材料的盲槽加工, 能够有效地克服硬质合金铣刀铣削加工 C/E 复合材料所存在的纤维撕裂、 毛刺及刀具磨损严重等问题。(2)电镀金刚石工具磨削加工 C/E 复合材料盲槽时, 最大磨削力随主轴转速的增加而减小, 随加工深度、刀具进给量的增加而增加, 提高主轴转速可以有效降低最大磨削力, 有利于提高盲槽表面加工质量, 减小刀具载荷, 延长刀具寿命。(3)相比硬质合金铣刀, 电镀金刚石工具在磨削加工 C/E 复合材料盲槽过程中最大磨削力小、 刀具磨损轻、 刀具耐用度高, 加工后的表面质量高, 并且随刀具进给量、 加工深度的变化, 最大磨削力变化幅度小, 故在满足一定的加工要求的前提下, 可适当加大刀具进给量、加工深度, 以提高加工效率。参 考 文 献[1] Jahanmir S, Ramulu M, Koshy P. Machining of ceramics and composites. New York Marcel Dekker, Inc., 2000267-293. [2] 李志强 , 樊锐 , 陈五 一,等.纤维增强复合材料 的机械加工技术 . 航空制造技术 ,2003,1234 -37.[3] Kalla D, Twomey J. Committee Network CN force prediction model in milling of carbon fiber reinforced polymers. Intelligent Systems in Design and Manufacturing VI. 200554-55.[4] Ramulu M, Arola D, Colligan K. Preliminary investigation of effects on the surface integrity of fiber reinforced plastics. Engineering Systems Design and Analysis 2, ASME, 1994,264 93-101.[5] Hocheng H, Puw H Y, Huang Y. Preliminary study on milling of unidirectional carbon fiber-reinforced plastics. Composites Manufacturing, 1993,42103-108.[6] Paulo D J, Pedro R. Damage and dimensional precision on milling carbon fiber-reinforced plastics using design experiments. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 1602160-167.[7] 张厚江, 陈五一, 陈鼎昌.碳纤维复合材料切削机理的研究 . 航空制造技术, 2004, 757-59.[8] 盛贤君 , 刘勇 , 王克 欣,等.碳纤维复合材料数 控钻磨工艺及装备研究 . 制造技术与机床 ,2008, 892 -95.[9] Tsao C C. Experimental study of drilling composite materials with step-core drill. Materials and Design, 2008, 2991740-1744.[10] 马尔金 S. 磨削技术理论与应用 . 蔡光起 , 巩亚东 , 宋贵亮 ,译 . 沈阳 东北大学出版社 ,2002.(责编 小城 )(上接第 81 页)型振动方向正好一致, 所以铺丝力对该阶振型有激振的可能性。铺丝力变化频率应避开 35Hz 的频率范围。第 2 阶固有频率值为 42Hz, 振型图反映了铺丝头末端沿 Y 向的振动, 变形最敏感方向沿 Y 向。铺丝过程中一般没有这方向的作用力。第 3 阶固有频率值为 50Hz, 振型图反映了横梁及铺丝头组合在 XY 平面内的扭转。铺丝过程中一般没有这方向的作用力。第 4 阶固有频率值 69Hz, 第 5 阶固有频率值 73Hz,为弯扭复合振动模态, 加工中没有这方向的激振力。对于高阶模态, 一般都不存在与振型一致的激振力, 因此高阶模态发生共振的几率很小。3 结束语对整体机床进行模态分析, 通过对各阶振型分析了解到, 前 100 阶固有频率在 857Hz 范围内, 其中大部分振型反映了机床筋板的弯曲扭转及其组合变形。低阶固有频率直接反映了机床刚性薄弱区域, 频率值越低则其代表的振型方向的刚性越弱, 因此通过模态分析可以提出加强结构刚性的准确方案, 达到提高整机动态性能的目的。设备原始结构的初阶固有频率为 28Hz, 通过局部刚性加强后初阶固有频率提高到 35Hz, 使设备的动态性能得到显著提高。对于高阶模态, 多为几个方向的复合振动, 一般不存在与振型一致的激振力, 因此高阶模态发生共振的几率很小。参 考 文 献[1] 曹数谦, 张文德。振动结构模态分析 . 天津 天津大学出版社,2001.(责编 侧卫 )图6 第5阶振型图Fig.6 Fifth order vibration mode diagram振动方向

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