碳/碳復合材料數控銑削力研究

許來濤+周震源

摘 要：碳/碳復合材料以自身獨特優勢（質量輕、耐磨、耐高溫、強度高等），一直以來廣泛應用于軍工、航空航天等領域。但其物理、化學性能，使材料在加工過程中呈現分層、崩塊、回彈、撕裂等現象，促使加工表面產生嚴重缺陷。為有效解決上述問題，文章采用聚晶金剛石（PCD）立銑刀對碳/碳復合材料進行實驗研究和理論分析，得出了較為理想的理論結果，為相關的工程研究提供了理論參考。

關鍵詞：復合材料；數控；銑削力

中圖分類號：TQ327.3；TG54 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0168-02

1 引 言

碳/碳復合材料因其自身優良性能在工業各領域得到了越來越廣泛地應用，國內外很多專家在此投入了大量精力用于相關技術的研究。近年來，隨著國家國防建設的需要，如：航空航天、軍事裝備等，對碳及其復合材料提出了越來越高的要求，相應制品的加工精度及表面質量已成為影響其應用性能的關鍵因素。此外，隨著碳及其復合材料制備工藝的日趨完善，其材料性能得到了較大改善，而材料加工能力未得到較大發展，致使加工技術阻礙了碳及其復合材料的發展。

我國對碳及其復合材料方面的研究較早，但由于其性能分析、制備及工藝相對落后，因此跟發達國家相比，還存在較大差距，尤其在一些相關領域（如航空航天、軍工）。因此，急需要通過實驗找出一種科學方法，用來改善銑削加工碳/碳復合材料機理和工藝。這對于我國復合材料的發展及應用，具有重要現實意義。

2 銑削力模型建立

切削過程中，切削力是一項重要的物理參數，它是工件在加工過程中抵抗刀具切削而形成的阻力。切削力在加工過程中會使得刀具、工件變形，機床震動，甚至產生的切削熱會使得表面加工質量下降、刀具使用壽命縮短等。在實際工程設計中，切削力是一項重要的設計指標，如機床設計，刀具設計，夾具設計及動力消耗設計等。在實際生產加工中，切削力是一項重要的監控指標，如檢測刀具磨損及表面加工質量等。因此，對切削力的研究具有重要現實意義。在實際的生產實踐中，如果能建立合適的切削力模型，來預測切削力變化，不僅可以降低切削加工的實驗成本，而且對加工工藝的合理選擇也具有一定作用，為實際生產效率的提高具有重要指導意義。

2.1 直齒銑刀銑削力建模

順銑及逆銑加工示意圖，分別如圖1和圖2所示。整個銑削過程中刀齒經歷切入及切出材料階段。

由相關理論公式推導，可以得出式（1），通過上式可以預測加工過程中的銑削力。

2.2 螺旋齒銑刀的銑削力計算

采用螺旋立銑刀進行銑削加工時，刀刃上各點的切削狀態均不相同，如圖3所示。

為了求得螺旋曲線AD產生的總切削力，將微元切削力沿該螺旋槽參與加工的部分進行積分可得式（2）。 總銑削力可以通過各齒銑削力求和得出，而以上各銑削力計算可以通過計算機編程求得。

3 銑削力試驗

此次實驗的機床設備是數控加工銑床，該銑床由北京航空航天大學自主研制，其最高轉速可達每分鐘5 000轉，該機床實物圖，如圖4所示。該實驗采用2齒的PCD直齒立銑刀，其直徑為10 mm，刀具實物圖，如圖5所示。試驗工件材料為碳/碳復合材料，如圖6所示。本試驗中采用的應變測力儀是SDC-C4F型通用測力儀，該儀器由北京航空航天大學研制。

為了減少實驗次數且不降低可行度，該實驗采用正交實驗方法。通過正交實驗產生的實驗結果，可利用極差、方差及回歸的分析方法得出很多有價值的結論。

在實際的銑削加工中，銑削力在三個方向呈現的數值是隨著刀具轉角變化而變化的。目前，國內外都是以切削力最大值作為研究對象。通過計算，這里分別列出了9組實驗中三個方向的切削力最大值Fx、Fy、Fz，見表1。

4 銑削力影響因素分析

對上述實驗數據做簡單處理，作正交試驗結果直觀表，見表2，直觀分析圖，如7、圖8和圖9所示。

根據正交試驗直觀分析表（表2）可知，對于切削力Fx、Fy、Fz，極差值大小順序依次為銑削寬度、進給速度、主軸轉速。說明銑削寬度對三向切削力的影響最大，其次是進給速度，主軸轉速最小。

通過觀察圖7至圖9的切削力圖，可以得出：1.試驗取值范圍內，切削力與主軸轉速無關，即轉速變化切削力不變，該現象說明主軸轉速對切削力的影響可以忽略不計；2.進給速度及銑削寬度對切削力影響較大，且成正比關系，即進給速度及銑削寬度越大，切削力越大。

5 結 語

本文采用聚晶金剛石（PCD）立銑刀對碳/碳復合材料進行實驗研究和理論分析，得出了切削力與主軸轉速無關，而與進給速度及銑削寬度有較大聯系；并通過具體實驗結果，計算出了銑削力數值，驗證了銑削力解析模型的可靠性，為后續的工程研究提供了理論參考。

參考文獻：

[1] 孫效燕.瀝青基炭材料炭化模型研究[D].西安：西北工業大學，2006.

[2] 肖志英.炭纖維增強熱解炭和COPNA樹脂炭基體復合材料用于減摩材 料的探索研究[D].長沙：中南大學，2006.

[3] 羅瑞盈.碳/碳復合材料制備工藝及研究現狀[J].兵器材料科學與工程， 1998， 21（1）： 64-70.