C/E復合材料高速鉆削溫度測量研究

蔡建國，林正英

福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108

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C/E復合材料高速鉆削溫度測量研究

蔡建國，林正英

福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108

摘要：采用嵌入式人工熱電偶的方法對C/E復合材料高速硬質合金鉆削刀具進行測溫試驗，并通過研究切削參數對其刀具后刀面溫度的影響來驗證該試驗裝置的可靠性。為了克服熱電偶導線從旋轉刀具引出的困難，先用線切割的方法在鉆頭的螺旋槽到第二后刀面處割個通孔，熱電偶埋在通孔中，并用導熱膠粘附在鉆頭的第二后刀面上，避免了熱電偶在鉆削的過程被工件材料磨掉。全程干切削結果表明是可靠的。

關鍵詞：C/E復合材料；高速鉆削；溫度測量；熱電偶

0引言

碳纖維/環氧樹脂(carbon/epoxy, C/E)復合材料作為一種先進的復合材料，因其具有輕質、比強度和比模量高、抗疲勞性能好等特點，而被廣泛應用于航空航天、汽車、體育用品等領域。C/E復合材料構件裝配過程中，根據鉚接或螺接的要求，通常需要鉆各種鉚釘孔和螺栓孔。由于C/E復合材料的層間的各向異性、不均勻性，碳纖維的耐磨性以及復合界面的存在導致鉆削過程中產生許多問題，如分層、拔絲、撕裂等，特別是刀具的嚴重磨損極大地限制了生產效率的提高和孔壁表面品質。切削溫度一直被認為是影響刀具磨損和刀具壽命的重要因素。

常用的切削溫度的測量方法有接觸法和非接觸法以及間接法。接觸法包括刀具-工件自然熱電偶法、人工熱電偶法、半人工熱電偶法，非接觸法包括光和熱輻射法、圖像法，間接法包括金相法、定熔點金屬粉末法等[1]。由于鉆孔過程是一個封閉式的，紅外熱成像儀無法直接測量孔加工過程中切削區域的溫度，文獻[2]和文獻[3]采用對樣品側壁溫度進行反復檢測，并使制孔位置盡量靠近樣品側壁，從而間接使所測溫度接近真實值。采用熱電偶進行鉆削溫度測量時，由于刀具進行旋轉，特別是高速鉆削時，熱電偶直接布置在鉆頭上會纏繞而無法鉆削，通常安裝在工件上，文獻[4]。熱電偶安裝在工件上對切削區域溫度場有一定的破壞，也影響試驗結果。文獻[5]用熱電偶的方法對AISI 1040和steel and Al 7075-T651兩種材料進行鉆削的溫度測量，其結果并與有限元模擬相驗證；文獻[6]主要研究刀具幾何形狀、切削參數對切削力的影響，也研究了基于熱電偶的切削溫度的測量。由于試驗數據獲取困難使得有關復合材料鉆削溫度的研究開展得較少，特別是對于不帶內冷卻孔的小直徑鉆頭的鉆削溫度的測量，本文采用嵌入式人工熱電偶的方法對C/E復合材料高速硬質合金鉆削刀具進行測溫試驗，研究切削參數對其刀具溫度的影響，給實際生產提供科學的工藝參數及理論支持。

1試驗系統的建立

熱電偶是基于熱電效應的測溫裝置，如圖1所示，兩種不同物質的導體A和B，兩接觸點T和T0，T點稱之為工作端或熱端，置于被測溫度場中，T0點稱之為自由端或冷端，冷端溫度要求恒定。當兩接觸點T和T0的溫度不同時，熱電偶回路中就產生熱電勢。回路總電勢為：

EAB(T,T0)=[EAB(T)-EAB(T0)]-[EA(T-T0)-EB(T-T0)]

由于溫差電勢通常遠遠小于接觸電勢，因而工程計算上通常把接觸電勢看成回路總電勢，即：

EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)

對于已選定的熱電偶，當冷端溫度恒定時，總熱電動勢就變成測量端溫度T的單值函數，即：

EAB(T,T0)=EAB(T)-C=f(T)

圖1　熱電偶示意圖

試驗中采用直徑為2×0.127mm的K類熱電偶(鎳-鉻和鎳-鋁合金)，測溫范圍-73℃～482℃。熱電偶冷端補償溫度設置為環境溫度37℃。

鉆削試驗在數控雕銑床上進行，采用10mm YG6硬質合金鉆頭，為了克服熱電偶導線從旋轉刀具引出的困難，鉆頭用三爪卡盤固定在機床工作臺上(即鉆頭保持固定不動)，專用夾具裝夾工件材料并用主軸彈簧夾頭夾緊置于機床主軸上(即工件是旋轉的)。

為了避免熱電偶在鉆削的過程被工件材料磨掉，先用線切割的方法在鉆頭的螺旋槽到第二后刀面割個通孔，熱電偶埋在通孔中，并用M915導熱膠粘附在鉆頭的第二后刀面上，全程干切削，試驗裝置和專用夾具如圖2所示。

圖2　刀具溫度測量試驗平臺

試件的基體為AG-80型環氧樹脂，增強體為T300型碳纖維，由0°/90°編織的預浸布鋪設而成，纖維的體積分數為60%，如圖3所示。試驗的轉速取值為5000r/min,8500r/min,12000r/min,15000r/min；進給速度為150mm/min,250mm/min,350mm/min,500mm/min。

圖3　試件材料

2試驗結果與討論

由于C/E復合材料的導熱性較差，所以鉆削產生的熱大部分傳遞給刀具和切屑。在主軸轉速為5000r/min，進給速度為150mm/min下鉆削，鉆頭與碳纖維復合材料接觸開始，刀具后刀面溫度快速上升，直到鉆頭刀尖鉆出碳纖維復合材料板后，刀具后刀面才開始將熱量傳遞給周圍的環境，從而逐漸下降。由于轉速不是很高，刀具后刀面的磨損不明顯，其刀具后刀面的溫度變化及其磨損三維輪廓掃描如圖4所示。

圖4　刀具后刀面的溫度變化(5 000 r/min,150 mm/min)

2.1　進給速度與刀具溫度的關系

在這個試驗中，主軸轉速固定不變為n=5000r/min，進給速度與刀具溫度的關系，如圖5所示，刀具溫度并不隨進給速度的增大而增大，而是逐漸減小，這是由于隨著進給速度的增大，切削時間變短，因此產生低的刀具溫度。

圖5　進給速度與刀具后刀面溫度的關系(5 000 r/min)

2.2　主軸轉速與刀具溫度的關系

在這個試驗中，進給速度保持不變為Vf=500mm/min，主軸轉速與刀具溫度的關系，如圖6所示，隨主軸轉速的增加，單位時間內切削刃切削纖維絲的數量增加，刀具后刀面和已加工表面間的摩擦加劇，從而導致刀具后刀面溫度上升。

在不同主軸轉速條件下，對刀具溫度和進給速度進行曲線擬合，得到兩者的關系：

3結語

采用專用夾具的人工熱電偶的鉆削溫度試驗裝置適于C/E復合材料高速鉆削溫度的測量。試驗結果表明，主軸轉速和進給速度對刀具溫度的影響是不同的，刀具溫度隨著主軸轉速的增大而增大，隨著進給速度的增大而減小。由于復合材料的散熱性較差，集聚在鉆尖的溫度加速刀具的磨損，從而導致刀具壽命的降低。

參考文獻:

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[2] 王奔,高航,畢銘智,等. C/E復合材料螺旋銑削制孔方法抑制缺陷產生的機理[J]. 機械工程學報,2012,48(15):173-181.

[3] 趙建設. 碳纖維復合材料鉆削溫度測試與分析[J]. 宇航材料工藝,2000,5:49-52.

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[5] Ozcelik B, Bagci E. Experimental and numerical studies on the determination of twist drill temperature in dry drilling: A new approach[J]. Materials and Design,2006,Vol.27:920-927.

[6] Chen W C. Experimental investigations in the drilling of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) composite laminates [J]. Int. J. Machine Tools Manufacture. 1997, Vol. 37(8): 1097-1108.

Research on Temperature Measurement of High Speed Drilling Tool Made of C/E Composite Material

CAI Jian-guo; LIN Zheng-ying

(School of Mechanical Engineering & Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Abstract:This paper makes a study of the temperature measurement of high speed drilling tool make of C/E composite material. Experiment shows that the equipment with special fixture and embedded thermocouple is available for use to avoid drawing the thermocouple wires from the rotary cutting tool, Furthermore, the thermocouples are embedded in the hole and glued to the second frank surface of cutting tool by wire-EDM. To prevent the wear during the machining process the result shows that it is reliable.

Keywords:C/E composite material; high speed drilling; temperature Measurement; thermocouple

中圖分類號：TG52

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0201-02

作者簡介：蔡建國(1988-)，男，福建仙游人，碩士研究生，主要研究方向為樹脂基復合材料鉆削機理研究。