碳纖維構件型面數控加工工藝技術研究

涂 安，袁信滿，張 也

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川成都 610092）

0 引言

碳纖維樹脂復合材料作為一種先進的復合材料，具有重量輕、模量高、比強度大和耐腐蝕等優點，在諸如飛機機翼、大型運載火箭艙段、航天飛行器艙體等航空航天與國防軍工產品的研制與生產中得到越來越廣泛的應用[1-2]。然而在復合材料大量推廣應用的同時，其構件的切削加工成為一個關鍵環節，由于碳纖維復合材料構件的力學性能呈各向異性，層間強度低，且碳纖維具有硬度高、強度大的特點[3]，在機械加工過程中，特別是碳纖維構件型面的加工過程中極易產生加工面凹坑，型面邊緣毛刺、分層，撕裂等缺陷，屬于典型的難加工材料。

面向碳纖維零件的制造需求，針對碳纖維材料加工時存在的問題，國內外學者在其切削原理、刀具等方面進行了研究，并取得了較多的成果。國外學者Everstine[4]較早研究了碳纖維材料切削力產生機理，并采用連續力學的方法建立了0°纖維方向切削力預測模型；日本學者花崎伸作[5-6]對CFRP的切削機理進行了研究，得出無論纖維方向是什么角度，碳纖維在刀具加工過程中發生斷裂的原因均是由于纖維所受垂直軸向方向的剪切應力超過了層間剪切強度的結論；Karpat[7]對單向纖維材料進行切削實驗，研究了碳纖維材料不同取向下的切削力及加工質量。國內學者張厚江基于花崎伸作的研究，從切削方向以及纖維夾角著手，建立了二維切削力理論計算公式，為切削力的預測提供了理論依據；胡寶剛[8]研究了CFRP切削加工時不同材料刀具的磨損速率，并針對不同加工方法的刀具材料、結構參數和幾何角度提出了優化策略。從現有的研究文獻可知，目前對于碳纖維切削加工的研究大都停留在切邊和鉆孔的機械加工研究上，對于碳纖維構件型面數控加工尚無研究。因此，實現碳纖維型面數控加工成為亟待解決的重要問題。

針對碳纖維復合材料型面加工中出現的表面凹坑、型面邊緣纖維分層、以及型面表面質量差等質量問題，本文以350飛機機翼和尾舵中的碳纖維構件型面為研究對象，分析了影響其加工質量的刀具、切削路徑以及切削參數，解決了碳纖維構件型面加工缺陷，實現碳纖維型面構件的高質加工。

1 碳纖維構件型面加工特征

圖1 A350機翼下垂板結構示意圖

碳纖維復合材料制造成型后，需進行機械加工以滿足構件的連接和裝配的需要[9-10]，因此，作為碳纖維復合材料加工的最后工序，機械加工的好壞直接關系到碳纖維構件的質量，影響后續零件及產品的使用壽命。同時，隨著航空裝備技術的飛速發展，碳纖維構件結構日趨復雜，因此，碳纖維復合材料在帶給航空、航天產品諸多優良性能的同時也給其數控加工帶來了巨大的挑戰。圖1所示為A350機翼下垂板構件結構示意圖，從圖中可以看出，零件結構復雜，構件需加工的部位包括四周輪廓邊、孔、以及零件型面的加工。

圖2 碳纖維構件側銑切邊示意圖

目前，對于碳纖維材料構件的加工僅包括四周輪廓的切邊以及構件的制孔，對于碳纖維零件型面的加工尚無研究。如圖2所示，原有的側銑切邊方法已無法應用于復雜型面加工上，以至于現有的加工刀具、切削方式和參數無法滿足碳纖維構件型面的加工，現場加工時常出現零件型面凹坑、邊緣纖維分層以及構件型面加工缺陷嚴重等問題，如圖3所示，這些問題已成為制約飛機制造的瓶頸。

圖3 碳纖維構件型面加工缺陷

2 碳纖維構件型面加工工藝技術

碳纖維復合材料切屑形成過程是一個基體破壞和纖維斷裂相互交織的復雜過程。如何選擇合適的加工刀具、規劃切削路徑并選擇合理的切削參數，是提高碳纖維構件型面加工質量的有效手段。

2.1 加工刀具

目前碳纖維復合材料加工刀具使用較多的主要有金剛石銑刀、硬質合金類的菠蘿銑刀、“人字形”銑刀以及小螺旋銑刀等。但這些刀具主要用于碳纖維構件的輪廓側銑，針對碳纖維構件型面的加工刀具尚無研究。

圖4 PCD立銑刀結構示意圖

在碳纖維零件的加工中，碳纖維加工刀具結構、幾何參數的設計以及刀具的材料的選用是解決復合材料難加工問題的關鍵。因此依托刀具廠家，結合碳纖維構件型面加工特征對加工刀具進行了研究與設計，刀具結構及刀具參數如圖4所示。刀具直徑為φ20 mm，底角為半徑5 mm的大底角，刀具有4片刀刃，其中精、粗加工刀刃各2片，且相間分布，粗加工刀刃為鋸齒形，精加工刀刃為“一字”形；刀具基體材料為整體硬質合金，并在刀刃上鑲有PCD刀片，增加了刀具切削壽命并有利于提高零件加工表面質量。行切過程中參與型面切削的主要是端面的底齒，側齒則在加工過程中去除周邊大余量。

2.2 走刀路徑及刀具姿態

由于碳纖維構件型面弧度變化較大，在型面的加工過程中，型面采用行切的走刀路徑，同時為了防止加工過程中纖維分層和撕裂，對加工型面受力進行分析。圖5所示為構件型面加工受力分析示意圖，切削力F分為切向力F1、徑向力F2和軸向力F3，當前傾角α和側傾角β減小時，刀具施加在零件表面的軸向力F3增大，形成對零件表面的擠壓，使得碳纖維層之間的粘接力和摩擦力加大，從而有效地防止零件的分層和撕裂。由此可知，在碳纖維構件型面加工中采用前傾角α=0和側傾角β=0，并保證刀具位置始終垂直于切削點的切線方向，來實現碳纖維構件型面的加工，如圖6所示。

圖5 構件型面加工受力分析示意圖

圖6 構件加工切削方式示意圖

2.3 切削參數

在數控切削加工過程中，切削參數的選擇不僅會影響零件的加工質量、刀具壽命，甚至還可能影響機床壽命和企業效益。為了使碳纖維構件型面能夠順利加工，并且在加工過程能夠獲得較好的表面質量，因此，基于大底角的碳纖維銑刀以及垂直于加工表面切削方式、開展了碳纖維構件型面切削實驗。

2.3.1 試驗方案

試驗建立在先進的五軸機床上，試驗材料以實際工況中采用的A350復材構件，試切刀具采用直徑為φ20 mm、底齒R5 mm、齒數為4的PCD銑刀；試驗以切削深度ap、切削寬度ae、進給速度f、主軸轉速s作為影響碳纖維構件型面加工質量的4個因素，每個因素選取4個水平進行正交試驗，觀察零件表面是否有凹坑、邊緣纖維分層及撕裂等現象；同時通過高倍放大鏡觀測切削毛刺長度，以毛刺的平均長度進一步來評價加工質量的優劣。試驗因素如表1所示。

表1 構件型面切削正交試驗因素表

2.3.2 結果分析

圖7 毛刺長度的測量

如表1所示，采用正交試驗法確定試驗方案，試驗參數分別切削深度ap、切削寬度ae、進給速度f、主軸轉速s，響應值為表面缺陷以及毛刺的平均長度，如圖7所示，試驗切削條件及實驗結果數據如表2所示。

表2 構件型面切削正交試驗正交實驗結果

從表中可以看出:（1）碳纖維零件的實際加工過程中，影響表面質量各因素的重要性排序依次為：s＞ae＞ap＞fz；（2）采用高速加工方案，相較于低速加工，更容易獲得理想的加工效果；（3）采用大切深、切寬時，由于對工件的切削力更大，更容易拉傷、破壞工件，零件成形質量也更難以保證，因此宜選用小切深、小切寬的加工方式以取得更佳的零件加工質量。根據試驗分析結果，結合加工實踐，最終采用的加工參數如表3所示。

表3 碳纖維構件型面的加工參數表

3 碳纖維構件型面加工技術應用

航空工業成飛是A350項目的重要供應商之一，承擔著機翼下垂板、擾流片等新型碳纖維復合材料構件研制生產的重要任務。論文通過對碳纖維構件型面的數控加工工藝技術研究，實現了碳纖維構件型面的穩定加工，如圖8所示，構件型面加工合格率由原來80%上升至95%，實現了碳纖維構件型面的高質加工。

圖8 碳纖維構件型面加工及實物圖

4 結束語

本文針對碳纖維構件型面加工中出現凹坑、毛刺、邊緣纖維分層及撕裂等問題，研究了碳纖維構件型面的加工刀具、切削方式，提出了采用大底角的碳纖維銑刀以及垂直于加工表面切削方式，避免了刀具選用以及切削方式錯誤引起的加工質量問題；同時基于前兩者的研究結果，開展了碳纖維構件切削試驗，驗證了切削刀具選用以及切削方式規劃的準確性，并得出碳纖維構件宜采用小切深、小切寬的加工方式。