芳纶复合材料的高质量数控铣切技术研究

陈亮子

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089）

1 研究背景

随着材料技术的发展，传统的单一材料由于其固有的局限性难以满足现代科学技术发展需要，而复合材料由于其复合化和集成化的特点，能够在很大程度上改善和提高单一材料的物理化学性能和力学性能，渐渐成为继金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料之后的第四大材料，作为关键材料在国防军工和国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。

高韧性高温固化环氧芳纶织物预浸料（以下简称“芳纶复合材料”），是一种先进的纤维增强复合材料，这种材料是以环氧树脂为基体材料，以芳纶纤维为增强材料，以不同的叠层人工复合而成的一种新型复合材料。因其内含强韧的芳纶纤维，且具有复杂的多相结构和独特的非均匀性和各向异性，从而具备优异的强度和刚度性能以及出众的抗冲击性能，广泛应用于防护装甲和航空航天等军工领域。在飞机设计制造中，常作为飞机中央翼前缘、外翼前缘、翼尖等防鸟撞类零组件的主要材料使用。

因其超高强度、高模量、高韧性的特性，芳纶复合材料的机械加工极为困难，特别是高温固化后的层压制件，手工切割难度大，切割效率低，切割片消耗大，每切割1 m 就需要花费30 min 并消耗1 个切割片，工人的劳动强度极大。不仅如此，制件的切割精度也无法得到有效保证，切割边缘产生烧蚀、分层、毛刺等缺陷的风险高达75%。

随着芳纶复合材料在各机型上的应用逐渐增多，手工切割无论从效率上还是加工质量上都难以保证型号需求，急需探究一种适合芳纶复合材料的高质量数控铣切方法，减少人力成本，降低甚至消除由边缘加工引起的烧蚀、分层、毛刺等质量缺陷。

2 试验方案及实施

2.1 试验件的确定

飞机芳纶复合材料制件固化后四周带有约20 mm的切割余量，为满足装配需求，需去除该余量，并加工出安装孔、开口等特殊结构，因此工艺试验件的设定应能反映出针对外形轮廓、安装孔、开口等结构特征的铣切效果。

选定厚度约4 mm，长宽约500 mm×500 mm 的芳纶复合材料平板作为试验件基体，以试切“回”字形结构验证数控铣切效果，试验件结构如图1 所示。试验件外圈切割边用以验证外形轮廓的铣切效果，内圈切割边用以验证安装孔、开口等结构特征的铣切效果。

图1 试验件示意图

2.2 试验参数的确定

一般而言，影响复合材料加工效率、加工质量及加工精度的主要因素有3 类，即加工刀具、工艺参数和加工方式。数控铣切模式下工艺参数的核心为刀具转速和进给速度，加工方式有顺铣和逆铣（顺铣和逆铣示意图分别如图2、图3 所示）2 种选择。为简化试验，先设定加工方式都为顺铣，在此基础上开展变量分别为加工刀具、刀具转速和进给速度的芳纶复合材料数控铣切工艺验证。

图2 顺铣示意图

图3 逆铣示意图

为获得最优的加工刀具，选用了4 种常用的复合材料加工刀具，即硬质合金滚花铣刀（如图4 所示）、金刚石钻铣刀（如图5 所示）、人字形合金铣刀（如图6 所示）、十刃直齿合金铣刀（如图7 所示），除此之外还特别增加了2 种特型复合材料加工刀具，即四刃多齿合金铣刀（如图8 所示）和两刃多齿合金铣刀（如图9 所示）。

图4 硬质合金滚花铣刀

图5 金刚石钻铣刀

图6 人字形合金铣刀

图7 十刃直齿合金铣刀

图8 四刃多齿合金铣刀

图9 两刃多齿合金铣刀

刀具转速的选取以各类刀具铣切碳纤维的推荐转速（单位为r/min）为参考基准，设定为+2 000 r/min、r/min、－2 000 r/min 3 种。对应上述6 种刀具，确定试验用的刀具转速如表1 所示。

表1 刀具转速设定表（单位：r/min）

考虑到芳纶复合材料切削阻力大，其进给速度应略低于碳纤维复合材料的切削进给速度，因此可设定为 400 mm/min、600 mm/min、800 mm/min 这 3 种。

2.3 试验安排

选定试验件及加工方式（顺铣），规划了针对芳纶复合材料的6 种加工刀具、3 种刀具转速和3 种进给速度，以芳纶复合材料的高效率、高质量、高精度数控铣切需求为导向，按照表2 开展相应的正交矩阵试验。

2.4 试验结果分析

按照表2 所列的54 种不同加工刀具、刀具转速及进给速度的组合方式进行数控铣切试验，试验结果如图10、图11 所示。

表2 芳纶复合材料正交矩阵试验表

观察图10 和图11，可以得出以下结论：①两刃多齿合金铣刀加工的芳纶复合材料试验件，其边缘轮廓加工质量最优，切割边界清晰、毛刺极少、无烧蚀、无分层等质量缺陷，且内外圈切割边效果均能满足制件加工需求；四刃多齿合金铣刀效果次之。②比较两刃多齿合金铣刀不同试验条件下的加工效果，可以判断出顺铣方式下最优刀具转速为6 000 r/min，最优进给速度为600 mm/min。

图10 芳纶复合材料铣切试验结果（顺铣）（之一）

图11 芳纶复合材料铣切试验结果（顺铣）（之二）

为了进一步探究两刃多齿合金铣刀在逆铣方式下的铣切效果，参考顺铣方式下的工艺参数，将刀具转速设为6 000 r/min，进给速度设为600 mm/min，开展逆铣加工试验，试验结果如图12 所示。

图12 芳纶复合材料两刃多齿合金铣刀逆铣试验结果

观察图12，并与图11、图10 对比，可以得出：相比于顺铣，逆铣方式下两刃多齿合金铣刀加工的芳纶复合材料试验件，其内外边缘轮廓的加工质量更优，切割边界更清晰，无目视可见的毛刺，无分层、烧蚀等质量缺陷。

通过上述研究试验，可以得出芳纶复合材料的最优数控加工刀具为两刃多齿合金铣刀，最优刀具转速为6 000 r/min，最优进给速度为600 mm/min，最优加工方式为逆铣。

3 总结

本文采用正交矩阵的试验方法，研究并确定了一种芳纶复合材料制件的高质量数控铣切工艺方法，即采用两刃多齿合金铣刀，刀具转速设为6 000 r/min，进给速度设为600 mm/min，加工方式选择逆铣。

采用此种工艺方法开展飞机中央翼前缘、外翼前缘、翼尖等芳纶复合材料零组件的高质量数控铣切，能够实现制件加工的自动化、快速化、精确化，节省人力和资源成本，提高加工效率。同时避免了手工切割易引起的烧蚀、毛刺、分层等质量缺陷，降低了产品的拒收和报废概率，提高产品的一次交检合格率。随着复合材料在飞机制造上的应用越来越广泛，复合材料的高效率、高质量、高精度机械加工，成为制造业面临的重大问题。本文结合工程实践经验，采用正交矩阵的试验方法，解决了芳纶复合材料的高质量数控加工难题，并为其他复合材料的高质量加工提供了技术方案参考。