芳綸復合材料的高質量數控銑切技術研究

陳亮子

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西 西安 710089）

1 研究背景

隨著材料技術的發展，傳統的單一材料由于其固有的局限性難以滿足現代科學技術發展需要，而復合材料由于其復合化和集成化的特點，能夠在很大程度上改善和提高單一材料的物理化學性能和力學性能，漸漸成為繼金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料之后的第四大材料，作為關鍵材料在國防軍工和國民經濟建設中發揮著越來越重要的作用。

高韌性高溫固化環氧芳綸織物預浸料（以下簡稱“芳綸復合材料”），是一種先進的纖維增強復合材料，這種材料是以環氧樹脂為基體材料，以芳綸纖維為增強材料，以不同的疊層人工復合而成的一種新型復合材料。因其內含強韌的芳綸纖維，且具有復雜的多相結構和獨特的非均勻性和各向異性，從而具備優異的強度和剛度性能以及出眾的抗沖擊性能，廣泛應用于防護裝甲和航空航天等軍工領域。在飛機設計制造中，常作為飛機中央翼前緣、外翼前緣、翼尖等防鳥撞類零組件的主要材料使用。

因其超高強度、高模量、高韌性的特性，芳綸復合材料的機械加工極為困難，特別是高溫固化后的層壓制件，手工切割難度大，切割效率低，切割片消耗大，每切割1 m 就需要花費30 min 并消耗1 個切割片，工人的勞動強度極大。不僅如此，制件的切割精度也無法得到有效保證，切割邊緣產生燒蝕、分層、毛刺等缺陷的風險高達75%。

隨著芳綸復合材料在各機型上的應用逐漸增多，手工切割無論從效率上還是加工質量上都難以保證型號需求，急需探究一種適合芳綸復合材料的高質量數控銑切方法，減少人力成本，降低甚至消除由邊緣加工引起的燒蝕、分層、毛刺等質量缺陷。

2 試驗方案及實施

2.1 試驗件的確定

飛機芳綸復合材料制件固化后四周帶有約20 mm的切割余量，為滿足裝配需求，需去除該余量，并加工出安裝孔、開口等特殊結構，因此工藝試驗件的設定應能反映出針對外形輪廓、安裝孔、開口等結構特征的銑切效果。

選定厚度約4 mm，長寬約500 mm×500 mm 的芳綸復合材料平板作為試驗件基體，以試切“回”字形結構驗證數控銑切效果，試驗件結構如圖1 所示。試驗件外圈切割邊用以驗證外形輪廓的銑切效果，內圈切割邊用以驗證安裝孔、開口等結構特征的銑切效果。

圖1 試驗件示意圖

2.2 試驗參數的確定

一般而言，影響復合材料加工效率、加工質量及加工精度的主要因素有3 類，即加工刀具、工藝參數和加工方式。數控銑切模式下工藝參數的核心為刀具轉速和進給速度，加工方式有順銑和逆銑（順銑和逆銑示意圖分別如圖2、圖3 所示）2 種選擇。為簡化試驗，先設定加工方式都為順銑，在此基礎上開展變量分別為加工刀具、刀具轉速和進給速度的芳綸復合材料數控銑切工藝驗證。

圖2 順銑示意圖

圖3 逆銑示意圖

為獲得最優的加工刀具，選用了4 種常用的復合材料加工刀具，即硬質合金滾花銑刀（如圖4 所示）、金剛石鉆銑刀（如圖5 所示）、人字形合金銑刀（如圖6 所示）、十刃直齒合金銑刀（如圖7 所示），除此之外還特別增加了2 種特型復合材料加工刀具，即四刃多齒合金銑刀（如圖8 所示）和兩刃多齒合金銑刀（如圖9 所示）。

圖4 硬質合金滾花銑刀

圖5 金剛石鉆銑刀

圖6 人字形合金銑刀

圖7 十刃直齒合金銑刀

圖8 四刃多齒合金銑刀

圖9 兩刃多齒合金銑刀

刀具轉速的選取以各類刀具銑切碳纖維的推薦轉速（單位為r/min）為參考基準，設定為+2 000 r/min、r/min、－2 000 r/min 3 種。對應上述6 種刀具，確定試驗用的刀具轉速如表1 所示。

表1 刀具轉速設定表（單位：r/min）

考慮到芳綸復合材料切削阻力大，其進給速度應略低于碳纖維復合材料的切削進給速度，因此可設定為 400 mm/min、600 mm/min、800 mm/min 這 3 種。

2.3 試驗安排

選定試驗件及加工方式（順銑），規劃了針對芳綸復合材料的6 種加工刀具、3 種刀具轉速和3 種進給速度，以芳綸復合材料的高效率、高質量、高精度數控銑切需求為導向，按照表2 開展相應的正交矩陣試驗。

2.4 試驗結果分析

按照表2 所列的54 種不同加工刀具、刀具轉速及進給速度的組合方式進行數控銑切試驗，試驗結果如圖10、圖11 所示。

表2 芳綸復合材料正交矩陣試驗表

觀察圖10 和圖11，可以得出以下結論：①兩刃多齒合金銑刀加工的芳綸復合材料試驗件，其邊緣輪廓加工質量最優，切割邊界清晰、毛刺極少、無燒蝕、無分層等質量缺陷，且內外圈切割邊效果均能滿足制件加工需求；四刃多齒合金銑刀效果次之。②比較兩刃多齒合金銑刀不同試驗條件下的加工效果，可以判斷出順銑方式下最優刀具轉速為6 000 r/min，最優進給速度為600 mm/min。

圖10 芳綸復合材料銑切試驗結果（順銑）（之一）

圖11 芳綸復合材料銑切試驗結果（順銑）（之二）

為了進一步探究兩刃多齒合金銑刀在逆銑方式下的銑切效果，參考順銑方式下的工藝參數，將刀具轉速設為6 000 r/min，進給速度設為600 mm/min，開展逆銑加工試驗，試驗結果如圖12 所示。

圖12 芳綸復合材料兩刃多齒合金銑刀逆銑試驗結果

觀察圖12，并與圖11、圖10 對比，可以得出：相比于順銑，逆銑方式下兩刃多齒合金銑刀加工的芳綸復合材料試驗件，其內外邊緣輪廓的加工質量更優，切割邊界更清晰，無目視可見的毛刺，無分層、燒蝕等質量缺陷。

通過上述研究試驗，可以得出芳綸復合材料的最優數控加工刀具為兩刃多齒合金銑刀，最優刀具轉速為6 000 r/min，最優進給速度為600 mm/min，最優加工方式為逆銑。

3 總結

本文采用正交矩陣的試驗方法，研究并確定了一種芳綸復合材料制件的高質量數控銑切工藝方法，即采用兩刃多齒合金銑刀，刀具轉速設為6 000 r/min，進給速度設為600 mm/min，加工方式選擇逆銑。

采用此種工藝方法開展飛機中央翼前緣、外翼前緣、翼尖等芳綸復合材料零組件的高質量數控銑切，能夠實現制件加工的自動化、快速化、精確化，節省人力和資源成本，提高加工效率。同時避免了手工切割易引起的燒蝕、毛刺、分層等質量缺陷，降低了產品的拒收和報廢概率，提高產品的一次交檢合格率。隨著復合材料在飛機制造上的應用越來越廣泛，復合材料的高效率、高質量、高精度機械加工，成為制造業面臨的重大問題。本文結合工程實踐經驗，采用正交矩陣的試驗方法，解決了芳綸復合材料的高質量數控加工難題，并為其他復合材料的高質量加工提供了技術方案參考。