邱新義 李鵬南 陳安華 牛秋林 劉 峰
(1 湖南科技大學(xué)機電工程學(xué)院,湘潭 411201)
(2 湖南科技大學(xué)機械設(shè)備健康維護省重點實驗室,湘潭 411201)
文 摘 采用二刃雙鋒角鉆頭、三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭在不同加工參數(shù)下鉆削CFRP,對比分析了孔入出口質(zhì)量(入口損傷、毛刺和出口撕裂),并采用毛刺存在角度來衡量毛刺的多少。結(jié)果表明:隨著進給量的增大毛刺存在的角度(范圍)α 先減小后增大;綜合考慮孔入口和出口質(zhì)量(毛刺和撕裂因子),三刃雙鋒角鉆頭最適合鉆CFRP。
CFRP 的鉆削加工容易在表面產(chǎn)生許多獨特的特征,例如裂紋、毛刺、纖維拉出和分層等[1-2],是一種公認的難加工材料[3]。孔入出口分層是最主要的損傷,這類型的損傷影響零件的裝配質(zhì)量和使用壽命[4]。
毛刺和撕裂通常發(fā)生在鉆孔的入口和出口兩處,毛刺和撕裂對裝配精度影響較大[5-7],近年來愈加引起研究者的興趣。入口和出口分層的機理不同,分別為鉆孔入口處的剝離和鉆孔出口處的推出[8]。剝離是在鉆頭螺旋槽斜面產(chǎn)生的軸向剝離力作用下出現(xiàn)的,而推出分層是在軸向推力作用下產(chǎn)生的。推出分層比剝離分層嚴重很多。在過去的20年,許多學(xué)者對CFRP 板的鉆孔進行了大量研究,如各種類型的鉆頭(麻花鉆[9]、階梯鉆[10]、三尖鉆[9]、雙鋒角鉆頭[11]、匕首鉆[7])、刀具的幾何參數(shù)(直徑[12]、鉆尖角[13]、螺旋角[14]、橫刃長度[15])及刀具的材料[16]對分層的影響。切削參數(shù)[4]對分層的影響主要集中在主軸轉(zhuǎn)速和進給量的研究上,主軸轉(zhuǎn)速對分層的影響較小,而進給量對分層的影響較大。橫刃長度減少、鉆尖角減少有利于減少孔出口損傷[15]。
在許多研究中發(fā)現(xiàn)雙鋒角鉆頭鉆削CFRP 有減小軸向切削力和分層的優(yōu)勢[10]。以往的研究主要關(guān)注的是二刃雙鋒角鉆頭鉆削CFRP,對多刃雙鋒角鉆頭和多鋒角鉆頭(圓弧形鉆頭)的研究很少。本文對比分析二刃雙鋒角鉆頭、三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭(相當(dāng)于多鋒角鉆頭)鉆削CFRP 單向板的孔質(zhì)量(入口損傷、毛刺、出口撕裂),擬為復(fù)合材料專用鉆削刀具的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
材料選用T800S/250F 單向?qū)雍习?,?guī)格為200 mm×200 mm×4.9 mm,碳纖維的體積分數(shù)為60%。刀具是硬質(zhì)合金鉆頭,鉆頭直徑為6 mm。試驗為全因素實驗,主軸轉(zhuǎn)速(n)的取值范圍1 500~5 500 r/min,進給量(f)的取值范圍10~55 μm/r。三種鉆頭的螺旋角為35°,鉆尖角為120°。加工在四川長征機床廠生產(chǎn)的KVC800/1 數(shù)控加工中心上完成實驗。鉆削后采用超景深三維顯微系統(tǒng)(型號:KEYENCE VHX-500FE)來觀測孔入出口質(zhì)量。
表1是三種鉆頭鉆削孔入口形貌。定義θ 為切削速度與纖維方向之間的夾角。二刃雙鋒角鉆頭在f≥30 μm/r時,孔入口側(cè)出現(xiàn)了分層損傷,損傷出現(xiàn)在θ 為90°~180°。f 增大損傷的程度也增大。原因是f增大,被切削層厚度增大,主切削刃剝離開的碳纖維層厚度增大,不容易被切斷,造成損傷增大。三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭的孔入口都沒有出現(xiàn)損傷。其原因是三刃雙鋒角鉆頭的切削刃有三條,每轉(zhuǎn)f相同的情況下,每齒f 比二刃雙鋒角鉆頭的小,主切削刃剝離開的碳纖維層厚度小,因此不易形成損傷。
用毛刺存在的角度(范圍)來作為衡量孔出口質(zhì)量的一個指標,如圖1所示。α用來表示毛刺存在角度。圖2是α與加工參數(shù)的之間的關(guān)系曲線。
圖1 孔出口毛刺存在角度Fig.1 Burr exist angle at the hole exit
圖2 孔出口毛刺存在角度與進給量的關(guān)系Fig.2 Relationship between burrs exist angle and feed rate
可以發(fā)現(xiàn),隨著f的增大α先減小后增大。二刃雙鋒角鉆頭在n=1 500 r/min時,α最小的f為20 μm/r;當(dāng)n>3 500 r/min時,α最小的f=30 μm/r。三刃雙鋒角鉆頭在n=1 500~5 500 r/min時,α最小在f=40 μm/r附近。圓弧形鉆頭在n=1 500 r/min及5 500 r/min時,α最小的f=40 μm/r;而n=3 500 r/min時,α最小的f=20 μm/r。f>20 μm/r時,三刃雙鋒角鉆頭的α相比另外兩種鉆頭要小,且在n=3 500 r/min,f=40 μm/r時,毛刺最少。圖3是二刃雙鋒角鉆頭在不同f下孔出口處毛刺形貌。
圖3 二刃雙鋒角鉆頭孔出口毛刺形貌(n=3 500 r/min)Fig.3 The morphology of burr exist of two-edged double point angle drill at hole exit
毛刺斷裂的位置與孔壁之間的距離是隨著f 的增加而減少的。在f=10 μm/r 時[圖3(a)],毛刺與工件連接的地方變得很小了,有明顯斷裂的趨勢。而在f≥30 μm/r 時[圖3(b-c)],毛刺與工件連接的地方依然強勁,沒有斷裂的趨勢。因為f=10 μm/r,鉆削軸向力較小,鉆頭突破孔底面時形成的未切削纖維厚度較小,在小軸向力下容易變形,導(dǎo)致纖維不易被切斷而成為毛刺;同時,同樣的鉆削距離f 小的刀具側(cè)刃和外緣轉(zhuǎn)角與毛刺接觸的次數(shù)多,因此毛刺與工件連接鏈接的位置變小且有斷裂的趨勢。當(dāng)f=50 μm/r時,鉆削軸向力很大,鉆頭突破孔底面時形成的未切削纖維厚度增大,同樣纖維不易被切斷,最后形成毛刺。因此,f過小和過大都容易形成毛刺。
圖4是撕裂因子示意圖。撕裂因子的計算方法是:Fd=Dmax/D。圖5是孔出口撕裂因子與進給量的關(guān)系。
圖5 孔出口撕裂因子與進給量的關(guān)系Fig.5 Relationship between delamination factor and feed rate
三種鉆頭孔出口的撕裂因子隨著f 的增大先減小后增大。雙鋒角鉆頭(二刃和三刃)孔出口撕裂因子最小值出現(xiàn)在f=30 μm/r附近;在n=1 500 r/min時,圓弧形鉆頭孔出口撕裂因子最小值在f=40 μm/r 附近。f 較小時,鉆削軸向力較小,孔出口處容易成為毛刺,鉆頭往下鉆削時因毛刺的影響,使得撕裂增大;而f較大時,鉆削軸向力很大,導(dǎo)致撕裂很大。
從圖5(b)可以知道,雙鋒角鉆頭在n=3 500 r/min 和f=30~40 μm/r 時撕裂因子較小,適合鉆削CFRP 復(fù)合材料。三刃雙鋒角鉆頭在n≤3 500 r/min時的孔出口撕裂因子都小于圓弧形鉆頭的,因此在此條件下三刃雙鋒角鉆頭較適合鉆削CFRP 復(fù)合材料。從圖5(a)和(c)上發(fā)現(xiàn),孔出口處撕裂因子大于1.4 時,孔出口都存在毛刺,毛刺與工件鏈接的位置存在很長的撕裂,毛刺的位置在θ=90°??梢娺@種較大的撕裂都是因毛刺的形成而產(chǎn)生的。撕裂在低轉(zhuǎn)速低進給量下容易出現(xiàn)的原因是刀具往下鉆削的速度緩慢,刀尖不能有效的突破CFRP 板底層碳纖維,形成毛刺,同時也產(chǎn)生較大的撕裂。而在高轉(zhuǎn)速高進給量下出現(xiàn)的原因是刀具鉆削軸向力過大,導(dǎo)致分層出現(xiàn)的位置離板底較大,同樣不易突破板底,形成毛刺且伴隨著較大的撕裂。
(1)三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭的孔入口都沒有出現(xiàn)損傷,而二刃雙鋒角鉆頭的孔入口有損傷。
(2)隨著f 的增大α 先減小后增大。f>20 μm/r時,三種鉆頭中三刃雙鋒角鉆頭的毛刺最少。
(3)綜合考慮孔入口質(zhì)量和出口質(zhì)量(毛刺和撕裂因子),三刃雙鋒角鉆頭最適合鉆CFRP復(fù)合材料。