GFRP铣槽加工铣削力及表面粗糙度研究*

郑 凯 ，陈 燕 ，晏超仁 ，梁宇红

（1.南京航空航天大学机电学院，南京 210016；2.江苏省精密与微细制造技术重点实验室，南京 210016）

GFRP是当今广泛应用的复合材料之一，具有比强度高、比模量大、热膨胀系数低和耐腐蚀等优异特性，在航空航天和社会生产生活中的重要性正在不断提高。但是，由于GFRP中树脂基体和玻璃纤维增强体材料性能上的差异，导致其加工过程中容易出现加工质量差、刀具磨损快等问题[1-2]。

铣削力是加工过程中不可忽略的因素，力的大小不仅可以反映出刀具与工件之间的相互干涉程度，还对加工表面完整性、刀具磨损等都有较大影响。Hu等[3]对单向纤维增强复合材料的磨削力进行了研究，结果表明磨削力与纤维方向角有关。这一结论也被张秀丽等[4]认可。邢光等[5]通过金刚石刀具高速铣削CFRP材料的正交试验，发现在高速切削条件下，减小切削力宜采用小进给量和切深、增加走刀次数的方式。

另外，表面粗糙度是工件加工表面质量指标中的一个重要评价参数，对零件的装配精度也有直接的影响。Azmi等[6]对GFRP铣削的正交试验研究表明，表面粗糙度的影响因素主要为进给速度，其次为转速，切深基本可以忽略。Mathivanan等[7]认为在GFRP层压板铣削时需使用较低的进给速度和较高的转速来获得较好的加工质量。

由于金刚石具有高硬度和高耐磨性，钎焊工艺相比于电镀和烧结可大大提高金刚石与结合剂之间的结合强度，具有更好的加工性能，延长刀具使用寿命，因此钎焊金刚石刀具作为一种新型的刀具制作方法在国内外受到广泛关注[8]。

为了能够提高GFRP加工质量和刀具耐用度，有必要加深对铣削力及表面粗糙度的研究，并对各个影响因素进行分析。国内外对于钎焊金刚石铣磨刀具加工研究较少，而且对于粗糙度评价多以二维线粗糙度来评定，并不能很好地反映材料表面的微观形貌。因此，本文使用自制的钎焊金刚石铣磨刀具对GFRP材料进行铣槽加工，研究了加工参数对铣削力和表面粗糙度的影响。表面粗糙度以三维面粗糙度来进行评价，能更准确地反映表面特征，并建立了铣削力和表面粗糙度的经验公式，为合理选择GFRP材料加工参数提供依据。

试验条件与方法

试验所用的加工机床为DMG Ultrasonic 20 linear立式数控加工中心，如图1所示。工件装夹如图2所示。试验采用干式切削，并使用吸尘器吸除粉尘，试验中所使用的三因素四水平正交试验参数如表1所示。

试验所用刀具为自制钎焊金刚石铣磨刀具，直径d=2.6mm，磨粒粒径 90～100μm，排数为 6，螺旋角为45°，如图3所示。

试验中所用的GFRP材料为编织结构，材料为357改性双马来酰亚胺玻璃布板，其垂直层向弯曲强度为580MPa，拉伸强度420MPa，树脂含量为38%，尺寸为145mm×16mm×6mm。

试验过程中采用Kistler 9272型测力传感器、5070A电荷放大器以及相应的数据采集与处理系统对铣削力进行采集，并使用非接触式3D光学成像轮廓仪对表面粗糙度进行测量。

图1 DMG Ultrasonic 20 linear立式数控加工中心Fig.1 DMG Ultrasonic 20 linear vertical CNC machining center

图2 工件装夹示意图Fig.2 Sketch of workpiece clamping

表1 正交试验参数表

图3 钎焊金刚石刀具Fig.3 Brazed diamond tool

试验结果与讨论

表2和表3分别为GFRP正交试验数据表和极差分析表，其中Fx为垂直于进给方向的铣削力；Fy为沿着进给方向的铣削力；Fz为轴向的铣削力；Sa为加工底面的粗糙度；k1表示各因素下的水平1的平均值，k2、k3、k4以此类推，如Fx中的数值4.397N表示进给速度这个因素下的水平2（即250mm/min）所对应的4个Fx值的平均值；R表示极差值，为k1、k2、k3、k4中最大值与最小值之差。

通过对正交试验数据的极差分析，可确定加工参数对铣削力的影响程度：极差越大，说明该加工参数数值的变化对铣削力的影响越大。如表2所示，主轴转速、进给速度和轴向切深中对铣削力Fx的极差分别为 4.522N、3.710N 和 5.730N，对Fy的极差分别为7.836N、7.267N和13.393N，对Fz的极差分别为6.288N、6.444N和 8.507N。 因 此，对于铣削力Fx和Fy，影响程度的主次关系依次为轴向切深＞主轴转速＞进给速度，而对于Fz，影响程度的主次关系依次为轴向切深＞进给速度＞主轴转速。对表面粗糙度的极差分别为 1.890μm，0.411μm 和0.243μm，影响程度的主次关系依次为主轴转速＞进给速度＞轴向切深。

表2 GFRP正交试验铣削力数据极差分析表

1 铣削力分析

1.1 加工参数对铣削力的影响分析

图4（a）为主轴转速对铣削力的影响，可以看出铣削力随着主轴转速的增加而减小。这是由于随着主轴转速的增加，铣磨刀具上磨粒与工件之间的摩擦加剧，铣削温度随之升高，树脂基体发生软化现象，从而使得树脂与玻璃纤维之间的结合力显著减小，所以导致铣削力减小。还可以看出，随着主轴转速的增大，铣削力的减小幅度逐渐变小。

表3 GFRP正交试验极差分析表

图4（b）为进给速度对铣削力的影响，可以看出铣削力随着进给速度的增加而增大。这是由于在主轴转速和轴向切深保持不变的情况下，随着刀具进给速度的增加，单颗磨粒所去除的材料增多。还可以看出，随着进给速度的增大，铣削力的增大幅度逐渐变大，这是因为进给速度增大使得切屑的排出越来越困难，同时进给速度大的其对应的材料去除变化量也大，使得铣削力的增大幅度变大。

图4（c）为轴向切深对铣削力的影响，可以看出铣削力随着轴向切深的增加而增大。这是由于随着轴向切深的增加，单位时间内参与铣削的磨粒数增多，去除的材料体积增加，且排屑更加困难；另外由磨削原理[9]，一个磨粒的未变形切屑最大厚度agmax如公式（1）所示，可以发现随着轴向切深的增大，单颗磨粒所切除材料的厚度是不断增加的。

式中，λ为两颗磨粒的周向间距，vw为铣磨刀具进给速度，vs为铣磨刀具线速度，ap为轴向切深，ds铣磨刀具直径。

从图4中还可以看出，铣削力Fx和Fz的变化趋势明显小于铣削力Fy，Fx和Fz基本呈线性变化，而Fy的变化幅度随着轴向切深的增大而变大，说明轴向切深对Fy的影响最大。

1.2 建立铣削力经验公式

为了定量地研究加工参数对铣削力的影响，需要建立铣削力经验公式。根据切削原理,影响铣削力F的因素为主轴转速n、进给速度vf和轴向切深ap。F与n、vf、ap的关系式为：

式中，F为铣削力，CF为铣削相关系数，x1、x2、x3分别为指数。在公式（2）两边分别取对数，可得：

利用Matlab软件，建立铣削力与铣削参数之间的关系，最终得到铣削力经验公式：

以铣削力为衡量指标，经筛选，最佳加工参数为B4C1D1，即n=9000r/min,vf=200mm/min,ap=0.2mm，在该加工参数下，测得的铣削力稳定阶段的平均值与经验值对比如表4所示，铣削力的测量如图5所示。结果表明，铣削力的误差范围均在20%以内，因此该经验公式对铣削力有较好的预测能力。

表4 铣削力测量值与经验值对比表

图4 加工参数对铣削力的影响Fig.4 Effect of machining parameters on milling force

图5 铣削力测量图Fig.5 Diagram of milling force measurement

2 表面粗糙度分析

Wang等[10]通过对CFRP加工表面粗糙度的分析发现，由于复合材料的各向异性和不均匀性，接触式测量测得的线粗糙度值有较大的随机性，并不能很好地表征加工表面粗糙度。Azmi等[6]通过对GFRP的试验研究支持此结论。因此，本文使用基于高度特征的三维面粗糙度评定参数Sa作为粗糙度的评定参数。

2.1 加工参数对表面粗糙度的影响分析

图6（a）为主轴转速对表面粗糙度的影响，可以看出粗糙度随主轴转速的增大而减小。当主轴转速从4500r/min增加到9000r/min时，粗糙度由 4.21μm 降低到了 2.32μm，降幅达44.89%，说明在铣削参数范围内，主轴转速的降低能显著减小加工底面的粗糙度。分析原因，主要在于随着主轴转速的增大，刀具与工件接触区的温度升高，树脂基体发生软化，覆盖在纤维表面，使得一些有小凹坑的表面更加平整，导致表面粗糙度降低。

图6（b）为进给速度对表面粗糙度的影响。可以看出：粗糙度随进给速度的增大而增大，当进给速度从200mm/min增大到350mm/min时，粗糙度由3.126μm增大到3.404μm，增幅为8.89%。这是因为当进给速度较低时，刀具与工件的接触时间较长，对于同一表面，单位时间内参与加工的磨粒数较多，有利于形成良好的表面，使得粗糙度降低。随着进给速度的逐渐增加，刀具与工件接触的时间越来越短，可能造成纤维未完全切断；同时由于进给速度的增大，使得切屑的排出变得困难，更多的切屑堆积在加工底面，清理切屑时不可能完全清除，这也在一定程度上造成表面粗糙度的增大。

图6（c）为轴向切深对表面粗糙度的影响。可以看出：随着轴向切深的增大，粗糙度先略有降低再升高，当轴向切深为0.3mm时粗糙度最低，此时的粗糙度值Sa=3.253μm。当轴向切深从0.3mm增大到0.5mm时，粗糙度从3.253μm增大到了 3.537μm，增幅为8.73%，增幅并不大，说明轴向切深对粗糙度的影响较小，这主要是由于所测粗糙度为加工底面的粗糙度，而非侧面的，在主轴转速和进给速度不变的情况下，粗糙度的大小主要与刀具端面磨粒有关，与轴向切深的大小关系不大。

2.2 建立粗糙度经验公式

与上文铣削力经验公式类似，粗糙度Sa与n、vf、ap的关系式为：

在式两边取对数得：

利用Matlab软件，建立表面粗糙度与加工参数之间的关系，最终得到表面粗糙度经验公式：

以表面粗糙度为衡量指标，经筛选，最佳加工参数为B4C1D2，即n=9000r/min，vf=200mm/min，ap=0.3mm，但是由上文的分析可知，轴向切深对表面粗糙度的影响较小，切深0.2mm与切深0.3mm时的粗糙度只相差0.049μm，因此选择在加工参数分别为n=9000r/min，vf=200mm/min，ap=0.2mm下验证经验公式的正确性，测得的粗糙度值为2.6541μm，而经验值为 2.2960μm，两者的误差为15.60%。表面粗糙度的测量图如图7所示，测量区域面积为0.88mm×1.25mm，测得表面粗糙Sa为2.6541μm。结果表明，表面粗糙度Sa的误差在20%以内，因此该经验公式对表面粗糙度有较好的预测能力。

图6 加工参数对表面粗糙度的影响Fig.6 Effect of machining parameters on surface roughness

结论

（1）加工参数中对铣削力和表面粗糙度影响最大的分别是轴向切深和主轴转速，进给速度对两者的影响都相对较小。对于本试验的GFRP材料，综合考虑铣削力和表面粗糙度，适宜采用的加工参数分别为n=9000r/min，vf=200mm/min，ap=0.2mm。

（2）在正交试验数据基础上，利用统计回归的方法，建立了铣削力、表面粗糙度与加工参数间的经验公式，通过试验验证表明，经验公式对铣削力和表面粗糙度有较好的预测能力。

图7 表面粗糙度测量图Fig.7 Diagram of surface roughness measurement

参 考 文 献

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