重庆大学揭秘高速铣削中的神奇：纤维随机分布CFRP和表面质量优化
重庆大学揭秘高速铣削中的神奇：纤维随机分布CFRP和表面质量优化
碳纤维增强复合材料（CFRP）具有高比模量和比强度、耐腐蚀性和良好的刚度等优良特性，逐渐被广泛应用于航空航天、汽车、国防军工及生物医疗等高端装备领域。然而，CFRP材料的非均质性及各向异性致使其加工表面形貌非常复杂且极易产生加工缺陷，严重制约了CFRP结构件的使用寿命、服役性能及安全可靠性。重庆大学曹华军教授团队针对这一难题，提出基于碳纤维随机分布的CFRP高速铣削比能模型，并优化了表面质量，研究成果发表在《机械工程学报》2024年第1期。
研究背景
CFRP具有高比模量和比强度、耐腐蚀性和良好的刚度等共性优点，其已被广泛应用于汽车、航空航天、医疗和体育等高端制造领域。虽然CFRP结构件一般通过近净成形工艺获得，但高表面质量和严格的装配精度要求，使其必须进行铣削、钻孔、车削等二次切削加工。然而，碳纤维分布导致CFRP具有非均质性和各向异性，在加工过程中表面易产生毛刺、分层、纤维断裂和拔出等加工缺陷。表面质量是CFRP结构件质量的重要评价指标。统计表明，在飞机装配环节，由表面加工缺陷导致的CFRP结构件的不合格率约占60%。切削比能（Specific cutting energy, SCE）代表单位材料去除体积所消耗的切削能量，鉴于其包含切削力、切削参数、刀具参数等信息，且与新表面形成、加工效率和加工可持续性有关，但关于CFRP切削比能研究总量较少，且大多数研究以碳纤维增强热固性复合材料为主；研究方法主要考虑了纤维方向、纤维含量等材料特性，而忽略了纤维分布的随机性及其对纤维/基体复合本构关系的影响。但是，由于纤维与基体切削性能不同，因此表面质量优化侧重也有差异。鉴于此，本文将提出基于纤维随机分布的CFRP高速铣削机理及比能模型研究，并探讨切削比能与表面质量之间的耦合与优化。
试验方法
碳纤维增强聚醚醚酮（Carbon fiber reinforced polyetheretherketone, CF/PEEK）复合材料是基体为热塑性材料聚醚醚酮的新兴CFRP，其具有可回收及可焊接性、高热稳定性（玻璃转变温度160℃）和宽切削加工窗口（330~380℃），空客公司和多国航空联盟提供的数据表明CF/PEEK将是高端装备应用中的首选复合材料。
CFRP高速切削比能模型的建立考虑了以下因素：
- 碳纤维的随机分布：通过统计分析碳纤维在复合材料中的分布规律，建立随机分布模型(如图1所示)。
- 切削效应：分析切削过程中刀具与材料的相互作用，包括刀具磨损、切削力和温度效应（如图2所示）。
- 边缘效应：考虑在切削边缘处由于纤维断裂和基体材料破碎导致的能量损失。比能分布示意图如图3所示。
具体步骤如下：
- 数据收集：通过实验获得不同切削条件下的能量消耗数据。
- 模型拟合：使用非线性回归方法对实验数据进行拟合，建立能量消耗与切削参数之间的关系。
- 模型验证：通过新的实验数据验证模型的准确性和可靠性。
图1 纤维分布统计模型
图2 铣削过程分析
图3 比能分布示意图
实验结果
实验平台为马扎克Integrex-1060v五轴数控加工中心（如图4所示），刀具为BT50-FMB32-150L盘铣刀，刀尖为PCD刀尖，铣刀半径为50 mm；切削力由Kistler（9257B）切削力传感器以15 kHz的采样率实时测量。
图4 实验平台
图5为SCE分布图及SCE实验值与理论计算值对比图，其中，最大误差为8.81%，说明该模型精度较高，通过该模型计算的SCE分布可被用于基于比能的CF/PEEK表面质量优化计算中。
图5 实验验证及比能分布
基于非线性回归分析，分析了铣削参数对SCEsq和SCEds的影响，研究表明在满足表面粗糙度的情况下，选择较高的切削速度（v>500 m/min时），较小的切削深度、较大的每齿进给量有利于获得高表面质量的CF/PEEK工件。面向表面质量的切削比能综合评价分析如图6所示。
图6 面向表面质量的切削比能综合评价分析
结论
(1) 基于碳纤维随机分布，建立了CF/PEEK高速铣削切削比能预测模型，阐明了碳纤维分布、CF/PEEK切削中的切削效应及边缘效应对切削比能的影响。同时验证了高速干切工艺在CF/PEEK切削中的可行性。
(2) 研究表明，碳纤维分布对切削比能有直接的影响，碳纤维切削消耗的切削比能大于PEEK消耗的切削比能。同时，在切削效应及边缘效应方面，CF/PEEK切削时的主要切削能量用于净切削，而压力及摩擦产生的切削比能较小。
(3) 提出了面向表面质量的切削比能综合评价指标，该指标表明，在满足表面粗糙度的情况下，选择较高的切削速度（v>500 m/min时），较小的切削深度、较大的每齿进给量有利于获得高表面质量的CF/PEEK工件。
前景与应用
碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料是高端碳纤维增强热塑性复合材料，具有轻质高强、宽峰吸收性、高热稳定性、宽加工窗口、可回收及可焊接性等突出优势，正逐渐被大量应用于航空航天、精密仪器、国防军工等高端装备领域。随着高端装备对加工精度和表面质量的要求不断提高，CF/PEEK结构件的高速干式铣削加工受到学术界和产业界关注。然而，CF/PEEK材料的非均质性及各向异性致使传统均质材料去除机理不再适用，同时由于CF/PEEK工件表面形貌非常复杂而极易产生加工缺陷，严重制约了CF/PEEK结构件的使用寿命、服役性能及安全可靠性，亟需阐明CF/PEEK的高速干式铣削机理，优化切削表面质量。
主创简介
曹华军，博士，重庆大学二级教授、博士生导师，现任科学发展研究院院长、制造工程研究所所长，入选教育部首届青年长江学者、第三批国家“万人计划”科技创新领军人才。长期从事绿色制造装备与系统研究，在齿轮高速干切滚齿数控机床及自动产线、离散制造双碳大数据及精益管控平台、复杂构件增减材复合绿色再制造等方面取得创新性成果，并实现产业化应用。发表论文200余篇，出版专著10部，授权国内外发明专利50余项，制定国家标准8项，获国家科技进步二等奖1项、省部级及行业一等奖4项。担任“十二五”国家绿色制造科技重点专项专家，“十四五”国家高性能制造技术与重大装备重点专项专家组副组长、“十四五”国家产业基础专家委员会委员、中国机械工程学会第十二届理事会理事及环境保护与绿色制造分会副主任委员、全国绿色制造技术标准化委员会委员兼副秘书长、重庆市绿色制造技术创新战略联盟秘书长，同时兼任国际生产工程学会（CIRP）Research Affiliate、《机械工程学报（英文版）》、《计算机集成制造系统》编委等。
宋阳，博士，2022年12月毕业于重庆大学，导师曹华军教授。于2022年12月至今为重庆理工大学机械工程学院讲师，机械检测技术与装备教育部工程研究中心固定研究人员。在曹老师的指导下，申请人从2016年硕博连读学位开始至今一直从事碳纤维增强热塑性复合材料切削、高速干切等相关研究，作为研究成员参与了一项国家自然科学基金、两项国家重点研发计划等国家课题，基于国家课题，在碳纤维增强热塑性复合材料高速干切方面开展了系统深入的研究，积累了较为深厚的理论知识。发表相关SCI/EI检索论文7篇，其中，SCI一区顶刊3篇，SCI二区4篇；导师第一本人第二获授权国家发明专利3项。
参考文献
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本文原文来自《机械工程学报》