碳纤维薄壁圆筒车削加工工艺研究

赵红连

（核工业理化工程研究院，天津300180）

0 引言

碳纤维复合材料（CFRP）具有比强度、比刚度高及耐疲劳性能好，可显著降低工件的重量，随着材料性能及工艺水平的提高，在航天、航空、军事等方面的应用日益广泛，其最主要的机械加工方法为孔的加工，而对于碳纤维复合材料薄壁圆筒的外圆车削加工目前国内外还尚未涉及。

研究的碳纤维复合材料薄壁圆筒是碳纤维加胶缠绕而成，厚度约为1mm，直径为150mm，长为800mm，设计要求在外圆局部进行减薄加工，为保证高的加工精度要求，工艺设计应用数控车削的加工方法达到成型技术要求。薄壁碳纤维复合材料的结构特性在车削加工中存在的不足及加工中易出现的问题如下：碳纤维加胶缠绕而成的工件材料层间强度低、各向异性、硬度高、脆性大，加工中易出现分层、起毛和拉丝等缺陷；工件筒体壁薄、自身刚度低、定位装夹难度大，加工过程中丝线切断后缠绕预应力和已切除材料残余应力的释放、刀具以及装夹等因素的综合影响，导致加工变形、回弹现象严重，加工精度低，达不到使用要求；碳纤维复合材料导热性差，在车削加工过程中刀具与碳复合材料产生大量的摩擦热，热量难以在加工中排除，切削温度高，易引起加工热变形，切削加工性能差，对加工过程中的各种影响因素极为敏感［1］，高的加工精度很难保证。

针对加工中出现的上述问题，开展了多方案碳纤维薄壁圆筒的加工工艺研究与试验，研究以解决加工中出现分层、起毛和拉丝等缺陷，以减小切削颤振、装夹和加工变形，提高加工精度，达到设计要求为目的，确定该种工件的加工工艺技术参数，满足生产需求。

1 碳纤维薄壁圆筒的加工特性

碳纤维薄壁圆筒是由碳纤维加胶缠绕而成，其丝线的缠绕角度在层间分布制度不同，碳纤维圆筒丝线缠绕角度放大如图1所示。层间厚度仅为0.2 mm，其不同的铺层制度给外圆的车削加工带来很大的加工难度：在外圆车削加工过程中刀具与碳纤维的缠绕方向形成顺切、逆切或成角度切削，3种切削方式混合进行，无法用加工方法的调整来解决。车削加工中，机床、刀具、夹具和工件共同组成一个切削过程动力学系统，切削力、加工变形、振动和颤振等动力学现象成为决定加工质量的关键因素。由于层间强度低，工件壁薄在加工中易产生切削颤振，导致分层、起毛和拉丝等问题。

图1 碳纤维圆筒丝线缠绕角度放大

2 车削颤振对工件的影响

根据碳纤维薄壁圆筒的结构特性和缠绕特性，工件沿轴向和径向刚性较弱，在切削力的作用下会产生振动响应，由于工件外圆表面粗糙，加工开始，沿进给方向产生的振动会在工件表面上留下振纹，从第2圈开始，加工表面的内外表面均存在振纹，外表面的振纹是前一转切削留下的，内表面的振纹是当前切削留下的，对于不同角度的铺层制度缠绕而成碳纤维薄壁圆筒，振幅更大，实际的切削厚度不再是常数，偏离理想切削厚度h较大，碳纤维圆筒车削振动模型如图2所示，由于碳纤维缠绕而成的圆筒切削加工时直接将丝线切断，切削的厚度呈不规则变化，当偏离值散差至极点时引起车削加工起毛现象。碳纤维切削本身的断续性和不连续性所激起的强迫振动和加工系统本身特性所激起的自激振动是影响碳纤维薄壁筒加工的主要因素。因此，应当尽力避免出现切削刚性系统和工件车削的振动，提高加工精度。

图2 碳纤维圆筒车削振动模型

3 专用夹紧装置的设计

为了减小切削刚性系统引起的切削颤振，解决加工中出现的起毛拉丝问题，同时考虑工件两端面位置度和加工精度要求，装夹和加工变形难于控制等，工艺研究使用高精度数控车床，设计专用夹紧装置以满足工艺设计要求。碳纤维薄壁筒专用夹紧装置结构如图3所示，装置设计为2个相同的涨紧组件，安装在同一主轴上，两端分别将工件涨紧，为轴向对称结构，主轴两端设计有高精度带护锥中心孔，加工时使用两中心顶尖，可以提高工件的定位精度。

图3 碳纤维薄壁筒专用夹紧装置结构

装置的设计为刚性定位，柔性夹紧，通过胀紧力的调节，有效地减小装夹变形和切削振动，提高加工精度。同时装置的设计实现了一次装夹同时车削工件两端外圆和端面，解决了工件两端平行度和垂直度超差的问题，提高了各加工部位形位精度。

4 切削刀具的研究

在切削碳纤维复合材料时，碳纤维有的是在拉伸作用下切除的，有的是在剪切弯曲联合作用下切除的。由于纤维的抗拉强度较高，要切断需要较大的切削功率，加之粗糙的纤维断面与刀具的摩擦严重，生成了大量的切削热，CFRP的热导率k又比金属要低1～2个数量级，切削区的温度较高且集中于刀具切削刃附近很窄区域内，纤维的弹性恢复及粉末状的切屑又剧烈地擦伤切削刃和后刀面，在切削加工中，切削力的大小将直接影响薄壁筒类零件的变形［2］。因此，可选择合理的刀具参数来减少切削力。由于工件刚性差，对振动非常敏感，车刀的几何形状和角度选择尤为关键。选择时应考虑以下几点：为减少工件的弯曲变形，车刀的主偏角应加大，以减少径向切削分力；为减少切削力，选择大前角；车刀安装，略高于工件轴线，使车刀后面与工件轻微接触，以增加切削的平稳性［3］。

为了满足刀具重复定位精度要求和装夹使用方便，选用标准的适于数控车床的可转位机夹车刀，螺钉紧固型的刀片夹紧形式。根据加工经验及碳纤维薄壁转筒的材料及结构特性，通过刀具切削试验，确定选用的刀具参数如表1所示。

表1 刀具几何形状参数

5 切削参数试验

碳纤维复合材料属于各向异性材料，强度和硬度高，层间不同的铺层制度，加工过程中极易出现分层、拉丝、起毛等缺陷，严重影响加工质量和合格率，又由于工件为大直径薄壁，车削力和车削热引起的变形对工件加工精度影响很敏感。因此，必须进行系统的切削实验以选择合理的切削参数，保证加工质量。

因切削速度v、进给速度f、切削深度ap因素在整个试验过程中是可控制的，故选择其作为本次试验的可控因素。试验以每个可控因素都为三水平的正交试验［4］，每次试验结果重复测量3次，取其平均值，试验以外圆表面质量（分层、拉丝、起毛和表面粗糙度）、外圆尺寸散差值和圆度值作为质量特征［5］，评价切削参数。试验参数设计方案及试验结果如表2、表3所示。

表2 加工工艺参数水平设计

从表3试验结果可知，试验编号2和试验编号7试验方案中外圆表面质量均达到最好，外圆尺寸散差相当，而试验编号2中外圆圆度明显好于试验编号7，试验结果符合切削经验值，确定试验编号2切削参数组合为最优组合，即切削速度v＝30m／min，切削深度ap＝0.03mm，进给速度f＝0.06 mm／r。

表3 正交切削表及试验结果

6 试验验证

为了保证工件的加工质量，需要通过验证切削实验来检查参数设计中最优切削参数组合的合理性，为此安排了60件工件进行切削验证，将各质量特征评价标准取其平均值，实验结果如下：外圆表面没有出现分层拉丝起毛现象，表面粗糙度为2.31 μm，外圆尺寸散差值0.07mm，外圆圆度值0.08 mm，三项技术质量特征均满足工艺设计要求。由此可见，由参数设计确定的切削速度v＝30m／min；切削深度ap＝0.03mm；进给速度f＝0.06mm／r，切削参数组合方案是最优的，在生产中得到了很好的应用。

7 结束语

通过碳纤维复合材料薄壁圆筒加工工艺技术研究与试验，研制专用定位装夹装置，解决了由加工颤振引起的分层拉丝起毛问题和工件两端平行度和垂直度超差的问题，同时有效减小了薄壁长筒类件装夹变形，满足了工艺设计要求。

通过切削刀具的研究分析，确定了刀具几何形状的选用标准，采用正交实验方法进行切削参数试验，得出车削薄壁碳纤维圆筒的最优切削参数组合，解决了加工中出现拉丝起毛的问题，有效减小了加工变形，保证了加工精度。

研究的该种碳纤维复合材料薄壁圆筒高精度车削的加工工艺方法，已成功应用到生产中，取得了显著效果，同时该种加工工艺方法可以推广应用到复合材料的车削加工制造领域。

［1］ 周泽华.金属切削原理［M］.上海：上海科学技术出版社，1992.

［2］ 机械加工工艺手册，第2卷.加工技术卷［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］ 袁哲俊，刘华明.刀具设计手册［M］.北京：机械工业出版社1999.

［4］ 朱红兵.应用统计与SPSS应用［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［5］ Dauglasc，Montgomery.实验设计与分析［M］.汪仁官，陈荣昭，译.北京：中国统计出版社，1998.