CFRP銑削用雙螺旋銑刀設(shè)計研究

王士偉

(中航工業(yè)通飛研究院質(zhì)量安全部，哈爾濱150000)

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料CFRP是一種新型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，具有比強度大、比模量高、抗疲勞性和耐熱性好等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造及其他領(lǐng)域[1-2]。在碳纖維復(fù)合材料切削建模領(lǐng)域中，H.Y.Puw等人通過線性切削實驗，利用解析預(yù)測了垂直及平行于纖維方向切削時的切削力，證明該模型的可行性，但未對其他纖維方向的切削力進行預(yù)測[3]。Seikh-Ahmad基于切削能量理論分別建立回歸方程和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[5]。萬敏研究了在切削鈦合金時刀具底刃的尺寸效應(yīng)，證明了刀具底刃對銑削的影響是不可忽視的[6-7]。綜上所述，國內(nèi)外針對切削力的建模研究較多，但大多數(shù)學(xué)者卻忽視了銑刀本身結(jié)構(gòu)對銑削力的影響，事實上銑刀本身是時刻影響著銑削的。經(jīng)文獻檢索，未發(fā)現(xiàn)有關(guān)CFRP銑削雙螺旋銑刀的研究，本文作者結(jié)合CFRP復(fù)合材料的特點，通過雙螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而大大提高了刀具耐用度，而且對所加工工件的表面質(zhì)量也有顯著提高。

圖1 雙螺旋立銑刀

1 雙螺旋銑刀結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

結(jié)合碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點、加工性能以及側(cè)銑加工工藝，對CFRP銑削用刀具進行針對性的設(shè)計，從而降低加工缺陷、提升加工表面質(zhì)量以及提高刀具耐用度。

本文設(shè)計雙螺旋立銑刀，結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用左右螺旋刃切削刃形，兩條切削刃在高速旋轉(zhuǎn)時能夠達到“上提下壓”的效果，理論上能夠有效降低毛刺、撕裂等缺陷。銑削CFRP常用刀具結(jié)構(gòu)有直刃、螺旋刃銑刀，如圖2所示，本節(jié)圍繞雙螺旋銑刀結(jié)構(gòu)特點與幾種常用結(jié)構(gòu)銑刀進行對比進行分析如下:

直刃銑刀在切削CFRP時能夠獲得較好加工質(zhì)量的被加工件，但由于直刃銑刀螺旋角為零，使得其在切入切出被加工件時，F(xiàn)1直接作用在切削刃上，產(chǎn)生沖擊較大易引起切削進程不穩(wěn)定。同時，直刃銑刀的刃形不利于切屑的排出，大量切斷的纖維粉末及纖維束停留在切削區(qū)域，使得刀具磨損加快進而導(dǎo)致加工表面質(zhì)量變差。

右旋銑刀在切削過程中，會產(chǎn)生與纖維束堆疊方向相垂直的軸向力F2z，始終指向纖維板的一側(cè)引起被加工件表面分層現(xiàn)象，同時表層纖維沒有上層纖維的支撐力作用造成毛刺現(xiàn)象。

雙螺旋銑刀的兩個相對的螺旋刃在高速切削加工時，產(chǎn)生沿纖維板兩側(cè)向內(nèi)擠壓的作用力F3z和F4z，兩者相互抵消減小軸向力，能夠有效防止分層及毛刺現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖2 不同結(jié)構(gòu)銑刀切削特性的對比

2 雙螺旋銑刀三維參數(shù)化建模

本文所設(shè)計雙螺旋銑刀為等導(dǎo)程銑刀，采用UG軟件構(gòu)造其CAD模型時，首先確定刀具主要特征的結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于本章第二節(jié)的數(shù)學(xué)模型確定參數(shù)變量值，各數(shù)學(xué)模型及其變量值需與雙螺旋銑刀的主要特征相對應(yīng)，進而完成所設(shè)計銑刀三維建模。雙螺旋銑刀的主要特征為:周刃左旋螺旋線、周刃右旋螺旋線，其他特征的參數(shù)值如前角、后角容屑槽等隨主要特征參數(shù)變化，端齒結(jié)構(gòu)參數(shù)采用標準結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計。如圖3所示。

圖3 三維模型參數(shù)化設(shè)計原理

2.1 刀具特征變量設(shè)定

將雙螺旋銑刀的特征變量對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)變量值鍵入UG軟件“工具-表達式”，添加刀具結(jié)構(gòu)所需的變量，并設(shè)定變量的幾何意義，如圖4所示。

圖4 參數(shù)化配置

特征變量包括:刀具截面第一后角ALPHA，前角GAMMA，銑刀長度L，周刃長度L1，刃帶寬度L2，第二后刀面L3，銑刀半徑R0，周刃螺旋角BETA。

2.2 周刃螺旋槽建模

首先建立坐標系，參考雙螺旋銑刀周刃螺旋線數(shù)學(xué)模型式(2-17)，并將參數(shù)方程鍵入UG中生成周刃螺旋線，參數(shù)方程為:

左旋螺旋刃線:

(1)

右旋螺旋刃線:

(2)

在UG中建立O-XYZ坐標系，在XOY平面內(nèi)繪制完成雙螺旋銑刀截面型線草圖。選取截面型線，并設(shè)置左、右旋螺旋刃線為引導(dǎo)線，利用“掃掠”命令，生成掃掠片體。最后選擇“剪切體”命令修剪出螺旋槽，并對復(fù)制螺旋槽特征，完成周刃螺旋槽繪制。如圖5所示。

圖5周刃螺旋槽的繪制

3 雙螺旋銑刀結(jié)構(gòu)有限元分析

采用ANSYS軟件對雙螺旋立銑刀進行模態(tài)分析，并采取力學(xué)同等約束條件，對銑刀應(yīng)力應(yīng)變進行分析研究，優(yōu)選雙螺旋銑刀刀體材料。

3.1 基于ANSYS軟件銑刀靜力學(xué)分析

將UG繪制后的雙螺旋銑刀導(dǎo)入ANSYS15.0的Workbench平臺進行有限元分析，如圖2—9所示，所創(chuàng)建的銑刀模型，其長度為83mm，直徑為12mm。材料屬性如表1所示。

表1 銑刀的材料屬性

將表1銑刀材料屬性導(dǎo)入軟件中，針對模型進行網(wǎng)格劃分，如圖6所示。

圖6 材料屬性設(shè)置

圖7 雙螺旋銑刀網(wǎng)格劃分

為保證求解精度，在劃分刀具網(wǎng)格時，應(yīng)注意細化切削刃區(qū)域網(wǎng)格。遠離切削刃區(qū)域網(wǎng)格可以選擇自動劃分，它可有效提高分析計算速度。根據(jù)雙螺旋銑刀實際加工過程中夾持方式可知，需對其施加邊界約束條件，其軸向(Z)、切向(X)、徑向(Y)的移動距離為零。同時，刀具加工過程為旋轉(zhuǎn)過程，轉(zhuǎn)速恒定，要對其施加固定約束，即為全約束。根據(jù)銑刀加工過程中所受的力，設(shè)置為施加載荷，平均分配到四個切削刃。待前處理工作完成后，進行應(yīng)力、應(yīng)變的求解，如圖8所示。

圖8 模態(tài)分析云圖

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，立銑刀加工是周刃參與切削的過程，最大應(yīng)力發(fā)生在周刃處，刀柄處的應(yīng)力幾乎為零。由圖2-11(c)可知，在切削刃與刀柄結(jié)合處應(yīng)變最大，說明同等應(yīng)力下，此區(qū)域更容易發(fā)生形變。但即使是最大應(yīng)變也在變形允許范圍內(nèi)，因此，本文所設(shè)計雙螺旋銑刀滿足對刀具加工強度需求。

2基于ANSYS軟件銑刀模態(tài)分析

切削加工過程中，若刀具固有頻率與機床自激振動頻率相近時，易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致切削穩(wěn)定性降低，刀具磨損加劇，從而影響加工質(zhì)量，給生產(chǎn)帶來巨大損失[10]。因此，有必要對所設(shè)計的雙螺旋銑刀進行模態(tài)分析。高階模態(tài)的固有頻率非常小，產(chǎn)生共振的幾率很小，為此只需集中考慮刀具在六種低階模態(tài)下的模態(tài)振型，如圖9所示。對圖9雙螺旋銑刀的六階固有頻率進行統(tǒng)計分析，如表2。

表2 銑刀各階模態(tài)頻率

由圖9可知，雙螺旋立銑刀的一階、二階模態(tài)變形較小;三階模態(tài)變形由切削刃向刀柄逐漸遞減;四階、五階模態(tài)變形較大，在大倍率下觀測，有較明顯的彎曲及扭轉(zhuǎn)變形;六階模態(tài)變形幾乎無變化。

機床的主軸轉(zhuǎn)速一般低于10 000r/min，因此其振動頻率為:

(3)

通過式(2-21)可知，雙螺旋銑刀的固有頻率遠大于機床的自激振動頻率，且刀具的變形較小，因此，所設(shè)計的雙螺旋銑刀可以實現(xiàn)穩(wěn)定切削加工。

4 結(jié)語

本文從CFRP的結(jié)構(gòu)特點及其加工缺陷出發(fā)，開展了雙螺旋銑刀設(shè)計制造的研究。

(1)針對碳纖維復(fù)合材料加工過程易產(chǎn)生中分層、毛刺及撕裂等加工缺陷進行分析研究，提出雙螺旋銑刀的設(shè)計理念，利用“上提下壓”結(jié)構(gòu)特點，降低CFRP加工缺陷。

(2)基于UG軟件參數(shù)化功能，完成端截面輪廓及其螺旋刃線的數(shù)學(xué)模型，對雙螺旋銑刀的螺旋槽建模，完成雙螺旋銑刀參數(shù)化三維模型的建立，

(3)通過有限元分析檢驗刀具強度及其固有頻率，為雙螺旋銑刀的制造和應(yīng)用提供技術(shù)保證。