碳纤维复合材料螺旋铣孔细观切削力分析.pdf

收稿日期:基金项目:河北省自然科学基金资助项目().作者简介:王海艳()女河北秦皇岛人东北大学副教授.第卷第期 年 月东北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.碳纤维复合材料螺旋铣孔细观切削力分析王海艳 武 晔 付麒麟 周秩同(东北大学秦皇岛分校 控制工程学院 河北 秦皇岛)摘 要:为了准确预测碳纤维增强复合材料()螺旋铣孔过程中切削力的变化在切削力模型中着重考虑 材料的各向异性和纤维方向角的影响根据不同损伤区域对 细观单元体进行直角切削分析.在此基础上结合螺旋铣孔加工原理考虑侧刃及底刃的作用分析不同纤维方向角下切削力的变化情况建立螺旋铣孔切削力理论模型.开展 螺旋铣孔实验以测量的三向切削力的周期波动值作为分析依据求解特定公转角度下的切削力理论值.结果表明切削力理论值与实验值拟合误差不超过 验证了 螺旋铣孔切削力理论模型的正确性.关 键 词:细观切削纤维方向角螺旋铣孔切削力中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.:):.:碳纤维增强复合材料 具有比强度高、比模量高、耐疲劳性、耐腐蚀性及可设计性能强等优势已在航空航天领域得到广泛应用.由于 的非均质性和各向异性其加工过程与传统金属相比有很大区别存在纤维断裂、纤维基体脱黏、基体破坏等失效形式.等研究了单向复合材料的铣削过程.结果表明纤维方向角对材料去除和切屑形成机理有很大影响.张厚江建立了单向 直角切削力模型主要分析纤维方向角在 范围内切削力的变化.等通过实验指出纤维方向角在 之间变化时会形成三个不同的变形区域:切屑形成区域、挤压区域及回弹区域.等利用能量法对单向复合材料的正交切削力进行预测其纤维方向角为 并发现切削力随刀具前角的增大而增大.很多学者已对 的切削机理进行了分析但其加工时产生的损伤仍不可避免.相对于传 统的钻孔加工螺旋铣孔具有加工质量好、切削力较小、刀具磨损少等优点.近些年 螺旋铣孔过程切削力建模的相关研究逐渐开展.等通过螺旋铣孔实验分析了不同切削参数对切削力的影响预测了 螺旋铣孔的切削力.等建立了螺旋铣孔的动态切削力模型分析了切削机理以及侧刃和底刃的切削力.万敏等通过分析铣刀底刃和侧刃的动态切削对单向 螺旋铣的切削力进行了建模并建立了纤维切削方向角与切削力系数之间的关联.上述模型多是在传统铣削力模型的基础上建立的但 具有各向异性不同角度下的切削形式等问题需重点考虑.本文拟结合螺旋铣孔加工原理综合考虑 材料的各向异性和纤维方向角对切削力的影响从细观角度对 螺旋铣孔过程切削力进行研究.直角切削细观分析在 直角切削过程中定义碳纤维铺层方向与切削速度方向之间的角度为纤维方向角刀具前角 导致实际切削时会出现以下两种状态:一种是纤维方向角 时切削时纤维在刀具前刀面上滑动刀具不断进给最终达到纤维的断裂准则另一种情况是 刀具的进给作用使纤维发生弯曲退让最终使纤维达到其弯曲强度或最大拉应力.如图 所示在 的细观直角切削过程中主要影响切削力的区域有 个:基体失效和纤维基体脱黏形成断裂区域压缩部分回弹对后刀面产生压力区域切屑滑移区域.在刀具切断纤维和其周围基体沿上刀面滑移并形成切屑的这一瞬时状态代表性体积单元体()和 为已经被切削的部分与切削刃接触的单元体图 细观单元体切削状态 还未出现损伤.可以看出直角切削分析是复杂切削过程分析的基础.螺旋铣孔运动学螺旋铣孔运动是由刀具本身的自转运动和其以一定偏心距 围绕孔中心进行的公转运动及刀具自身的轴向进给运动复合而成加工原理如图 所示.图 螺旋铣孔加工原理 螺旋铣孔过程中与加工有关的参数为刀具的自转转速、公转转速、轴向和周向进给速度假设刀具轴向进给速度为 自转转速为 公转速度为 可以计算出每转轴向切削深度:.()切向每齿进给量为().()式中:为刀具切削刃数为加工孔直径为刀具直径.在螺旋铣孔过程中确定了主轴自转转速每转轴向切削深度和切向每齿进给量这 个参数后可求解其他参数.螺旋铣孔切削力分析 坐标系建立与分析以加工孔中心和刀具中心为各自的坐标原点建立如图 所示的坐标系 和 图中 为刀具自转角度 为刀具公转角度:.()式中:为刀具公转初始位置角为刀具自转初始位置角 为时间.第 期 王海艳等:碳纤维复合材料螺旋铣孔细观切削力分析 坐标系中 轴垂直于纤维方向 轴平行于纤维方向 轴平行于切削速度方向 轴沿切削刃方向.由于螺旋铣孔的特殊工作原理纤维方向角随自转和公转速度的变化而不断变化因此在螺旋铣孔切削过程中纤维方向角也可称为动态方向角.图 工件与刀具坐标系 侧刃切削力大多数情况下刀具的侧刃是具有一定螺旋角 的螺旋线.螺旋角的存在使切削方向和碳纤维方向之间的动态方向角发生变化同时使不同高度的侧刃与碳纤维之间的相对动态角也不同.在螺旋铣孔切削过程中刀具侧刃对应的未发生变形的切屑为 弧形切屑其展开图如图 所示.侧刃 的切削长度不超过侧刃 底部从切削开始到完全切削结束的位移 时由于螺旋角的原因将有 条侧刃同时参与切削如图 所示若侧刃 的切削长度超过 时侧刃 将完全脱离切削区域此时只有两个侧刃参与切削如图 所示.图 对应侧刃的未变形切屑展开图 ()条侧刃()条侧刃.切削过程中纤维方向和铣刀之间的夹角不断变化将导致两种不同的切削状态.当 时纤维的失效形式如图 所示.图中 为垂直于纤维方向为平行于纤维方向 为刀具进给方向 为进给的垂直方向.在刀具的不断进给下加工平面产生变形碳纤维层与层之间发生分离并导致表面损伤左侧的纤维受到等效模量 的推力作用而右侧的纤维受到纤维 基体黏结等效模量的拉力作用.在此切削状态下的侧刃微元切削力 为 ().()式中:为刀尖半径 为纤维 基体脱黏长度()为各部分垂直于纤维铺层方向的纤维变形量为对应的侧刃与碳纤维之间的动态角.图 时 的失效形式 在切削过程中由刀具侧刃或底刃进给引起的变形量 为.()式中:为纤维杨氏模量为纤维截面惯性矩 为特征系数 为外力.加工过程中平行于纤维方向会受到摩擦力作用如果摩擦系数为 则 因此在此切削状态下总的微元切削力 为 .()当 时纤维的失效形式如图 所示.刀具的挤压作用使碳纤维黏附在前刀面上.此时前刀面所受的微元切削力 为()()()()().()式中为纤维断裂区域的等效模量.在此切削状态下的刀具前刀面受到摩擦力的作用即 此时总的微元切削力 为 .()东北大学学报(自然科学版)第 卷 图 时 的失效形式 在螺旋铣孔过程中考虑刀具自转不同角度下的切削状态 个周期内参与切削的侧刃 和侧刃 所受的切削力为()().()()().()式中:和 分别为侧刃 和侧刃 与工件的接触长度.侧刃 和侧刃 进行交替切削所以需要讨论条到 条一下侧刃 的切削状态:当 时 条侧刃均参与切削当 时只有 条侧刃参与切削.因此侧刃 的切削力为 .()式中:为侧刃 与工件的接触长度.综上所述螺旋铣孔的侧刃总切削力可以表示为 .()底刃切削力在图 所示的坐标系中刀具底刃关于刀具中心旋转对称并且切削力大小相等因此只对相邻两个底刃的切削力进行分析即可.在实际加工过程中底刃与碳纤维之间存在两种切削状态一种是当底刃与 轴负方向之间夹角小于两种状态的临界角时微元切削力 为 ().()式中:为底刃和纤维之间的相对动态角为每齿轴向进给速度/().底刃总的微元切削力 为 .()另一种切削状态为底刃与 轴负方向之间夹角介于两种状态的临界角与 之间时底刃微元切削力 为()()()()().()底刃总的微元切削力 为 .()参与切削的底刃切削力为.().()式中为两个底刃的长度.在切削过程中 受到刀具轴向进给的作用而发生弹性变形刀具受到沿 轴的力.由弹性变形引起的力为().()考虑刀具底刃的对称性在螺旋铣孔过程中底刃上的总切削力为.()将侧刃和底刃产生的切削力表示在坐标系内如图 所示为了便于分析比较将先前计算的力沿坐标系 分解.图 切削力在不同坐标系之间的关系 第 期 王海艳等:碳纤维复合材料螺旋铣孔细观切削力分析 轴向切削力由 个切削刃共同承担因此轴向切削力应乘上刀具切削刃刃数.螺旋铣孔过程中总体切削力为()()()()().()式中为底刃与水平线间的夹角.螺旋铣孔实验 实验内容在 五轴联动加工中心上进行螺旋铣孔实验采用干切削方式进行加工实验工件为碳纤维增强复合材料板纤维铺层方向为 板材长 度 和 宽 度 分 别 为 厚 度 为 预加工的孔直径为 .实验所用刀具为直径 的 涂层四刃专用螺旋铣孔刀前角为螺旋角.使用 三维测力仪测量切削力的大小采用单因素实验法切削参数如表 所示实验平台如图 所示.表 切削参数 主轴转速 每齿进给量 齿每转轴向切深 图 螺旋铣孔实验 结果分析图 为 主 轴 转 速 /进 给 量 /齿轴向切深 /时测量的三向切削力图 为 低通滤波后 内的切削力变化情况可以看出切削力呈周期性波动.螺旋铣孔在封闭区域切削不同角度下的切削很难实现.纤维铺层方向为 可将螺旋铣孔过程中刀具旋转视为一个周期即切削力的一次波动.选取多个周期取平均值作为本文分析的依据从中选取公转角度进行对比.图 实测及滤波后的切削力 ()主轴转速 /()低通滤波.图 为不同切削参数下切削力的理论值与实验值的对比.图 为主轴转速 /进给量为 /齿轴向切深为 /由三向切削力的实验值与理论值进行对比可知和 远小于轴向力 且 与 相差不大.误差结果如表 和表 所示.由图 可知不同公转角度时切削力大小明显不同在 范围内三向切削力随公转角度的增大而不断增大且轴向切削力远大于其他两向切削力.出现这种现象的原因是切削过程中轴和 轴方向上所有切削力都由侧刃提供.螺旋角的存在会使侧刃产生沿 轴的分力而底刃只提供沿 轴方向的切削力.此外工件在刀具轴向进给作用下产生的变形会导致较大轴向力的产生.从上述数据及图表可以看出在不同切削参数条件下切削力理论值与实验值存在一定偏差但理论值能够较好地捕捉切削力在刀具公转一周 范围内的变化情况总体误差不超过 通过多组实验数据验证了模型的正确性.分析造成误差的主要原因如下:在建立模型的过程东北大学学报(自然科学版)第 卷 中对 的失效模式进行了简化实际切削要比理论模型中建立的切削问题更加复杂忽略其他的失效模式会对模型准确性造成一定影响实际实验时由于操作问题造成一定偏差.图 不同切削参数时切削力实验值与理论值的对比 ()齿 ()齿 ()齿 ()齿 表 公转角为 和 切削力误差分析 公转角图号图 图 图 图 图 图 图 图 误差/误差/误差/表 公转角为 和 切削力误差分析 公转角图号图 图 图 图 图 图 图 图 误差/误差/误差/结 论)考虑纤维方向角在不同范围内的变形方式分析了纤维基体脱黏区域、回弹区域以及切屑滑移区域这三种损伤区域对 细观单元体直角切削力的影响.)结合螺旋铣孔工作原理考虑侧刃和底刃第 期 王海艳等:碳纤维复合材料螺旋铣孔细观切削力分析 的影响研究了不同纤维方向角下螺旋铣孔切削力的变化情况建立了 螺旋铣孔切削力模型.)开展了 螺旋铣孔实验考虑了切削力的周期波动分析 公转角度下切削力的变化情况.结果显示切削力的变化与刀具的切削位置直接相关切削力理论值与实验值的总体误差不超过 验证了模型的正确性.参考文献:陈燕葛恩德傅玉灿等.碳纤维增强树脂基复合材料制孔技术研究现状与展望.复合材料学报():.(.():.)./.():.:.:.(/):.张厚江.单向碳纤维复合材料直角自由切削力的研究.航空学报():.(.():.).():.():.():.:():.(/):.万敏杜宇轩张卫红等.单向 螺旋铣削力建模.航空学报():.(.():.)齐振超李丰辰王二化.基于热力耦合仿真的 直角切削机理研究.工具技术():.(.():.).:.().:.东北大学学报(自然科学版)第 卷