高速钻削碳纤维复合材料钻削力的研究

高速钻削碳纤维复合材料钻削力的研究（共2篇）

高速钻削碳纤维复合材料钻削力的研究 篇1

钻头与钻削研究的历史、现状与发展趋势

人类认识和使用钻头的历史可以上溯到史前时代。燧人氏“钻木取火”所使用的石钻，可以看作最原始的钻头。现代工业加工中广泛使用的麻花钻(俗称钻头)，是一种形状复杂的实工件孔加工刀具，诞生于一百多年前。现在，全世界每年消耗的各类钻头数以亿计。据统计，在美国的汽车制造业，机械加工中钻孔工序的比重约占50%;而在飞机制造业，钻孔工序所占的比重则更高。尽管钻头的使用如此广泛，但众所周知，钻削加工也是最复杂的机械加工方法之一。正因为如此，人们一直致力于钻头的改进和钻削过程的研究。本文根据所能得到的英文文献资料，对两沟槽麻花钻的有关技术问题及钻削研究的历史、现状和发展趋势进行综述。

近几十年来，人们关于钻头和钻削的研究除了钻头制作材料的改进以外，主要集中在以下五个方面：

①钻头数学模型和几何设计研究：包括螺旋沟槽、后刀面、主刃和横刃数学模型的建立，横向截形与钻尖结构参数的优化，切削角度(分布)的计算与控制，钻头结构的静态和动态特性分析，钻尖几何形状与切削和排屑性能关系的研究。

②钻头制造方法研究：包括钻头几何参数与后刀面刃磨参数之间关系的建立与优化，钻头制造精度和刃磨质量的评价与制造误差的测控，钻头螺旋沟槽加工工具截形的设计计算，钻头加工设备特别是数控磨床与加工软件的.开发等。

③钻削过程与钻削质量研究：包括影响钻削过程的各种因素及出现的各种物理现象的分析、建模与监控(如钻削力、切削刃应力和温度分布的测量、建模和预报);钻头磨损、破损机理与钻头寿命的研究;钻头的变形、偏斜、入钻时的打滑和钻尖摆动现象的研究;钻削工艺(如振动钻削、高速钻削、深孔钻削、钻削过程的稳定性等)与钻削质量(孔的位置精度、直线度、表面粗糙度、圆柱度、直径、孔口毛刺等)的研究。

④钻削机理与各种高性能钻头(如群钻、枪钻、干切削钻头、微孔、深孔钻头、长钻头、可转位钻头、合成材料加工用钻头、木工钻头、多螺旋槽钻头等)的研究。

⑤钻削过程模型验证和钻头性能评估过程的自动化，切削条件及钻头形状选用数据库和知识库的建立等。

目前，最具活力的研究领域是钻头数学模型、几何设计和制造方法(设备)的研究，钻削过程建模与钻削质量的研究等。

高速钻削碳纤维复合材料钻削力的研究 篇2

碳纤维复合材料 ( CFRP) 由于其质轻、模量高、比强度大等一系列优良性能, 广泛应用于各行业。在实际应用中, 一次成型制备工艺, 往往无法满足装配要求, 因而需要对其进行二次机械加工。特别是与其他零件装配时, 需要对CFRP进行大量的孔加工。复合材料碳纤维的各向异性和层间强度低, 使其在加工过程中易出现分层、撕裂、毛刺以及加工表面粗糙。CFRP属于难加工材料, 所加工零件的表面质量和加工精度, 影响整体零件的安全性能以及使用寿命[1,2]。影响加工表面质量的因素主要有钻削力、钻削过程产生的切削热、钻削工艺等, 在加工过程中, 主轴的振动会直接影响复合材料加工零件的表面质量, 降低加工精度[3]。当切削频率达到机床固有频率时, 会出现共振现象, 刀具剧烈磨损, 严重时会使机床整体折断, 严重影响机床使用寿命。因而需要对复合材料钻削加工过程中, 出现的振动现象进行测试与分析, 找出振动源, 控制主轴振动幅值, 提高加工零件的表面质量和刀具使用寿命[4]。

1 主轴振动信号测量方案设计

主轴振动信号源的准确分析, 取决于所提取的信号能否反映实际加工中主轴的振动。主轴处于高速旋转状态下, 在线测量振动信号, 在试验中选用非接触的加速度传感器。

1.1 振动来源

机床在加工过程中的振动按性质的不同主要分为强迫振动和自激振动。强迫振动是指加工过程中来自机床内部或外部的振动源产生的振动。机床内部振动源主要有切削产生的切削力、主轴旋转不平衡力和进给机构的爬行。机床的自激振动也被称为颤振, 当颤振频率近似的等于机床某阶模态的固有频率时, 则出现共振现象。在这些振动中对切削加工影响最大, 严重损坏机床的是共振的发生, 而无法消除只能有效控制的是由切削力产生的振动[5]。碳纤维复合材料加工过程中首先要避免振动频率等于机床固有频率, 在此基础上, 再通过调整切削参数如: 主轴转速、进给量、切削深度、刀具参数等, 来抑制强迫振动。

1.2 传感器和测点的选择

主轴振动信号, 可由振动位移、速度、加速度3 种特征值来反映振动量的大小。不同的频率段选用不同的特征值表征振动强度。针对主轴振动频率属于高频域, 采用加速度作为测试标准。依据测量机理, 传感器又可分为压电式、电涡流、光电声压等形式, 实验中选用的压电式加速度非接触传感器具有: 质量轻、体积小便于安装、频率响应范围宽、灵敏度高等优点[5]。

机床主轴振动主要为径向方向上的振动, 分别为x、y两进给方向上的振动, 以及轴线方向上的z轴振动。加速度传感器通过磁力座粘附于主轴表面上。传感器的质量虽小, 但是附加于主轴上的质量, 一定程度上会影响主轴质量的平衡, 引入不必要的外来振动。因而需要合理安排振动测量点, x、y轴传感器分别布置在x、y进给方向, z轴传感器安装在两质量合力线上, 实际安装图如图1 所示。

1.3 测试流程

机床主轴振动信号的测试与分析, 在搭建好实验平台后, 还需运用虚拟仪器开发相应的软件测试系统, 正确处理振动信号, 找到振动源并加以控制。主轴振动信号的实时监测流程图如图2 所示。

2 振动信号测量系统的设计

振动信号需要在加工过程中, 在线采集与实时分析信号, 高采样频率和采集的数据量大。采用Labview虚拟软件具有开发时间短、可扩展性强、高效灵活等优点, 能满足对大型数据在线采集与实时分析。针对碳纤维复合材料钻削过程主轴振动测试实验, 软件的开发主要围绕以下几点进行: 振动信号时域分析、计算振动信号均方根值以及频域分析、对振动信号进行频谱分析、计算振动信号的功率谱密度函数[6]。

2.1 信号采集程序

3 个单方向压电式加速度传感器将所采集的x、y、z轴振动信号, 传送至采集仪PXI, 而后进行处理。3 方向同时采集属于多通道采集, 借助Labview中的数据采集助手 ( DAQ assistant) 实现。DAQmx采用AI加速计多通道测量, 设置为连续采集。有耐亏斯特采样理论: 采样频率必须是最高频率的2 倍, 针对主轴振动信号为高频振动, 因而将采样率定为20 480 Hz。采集数据量大, 需要对数据进行缓存, 因而采用队列操作进行同一子VI中和不同子VI间数据的通信。信号采集程序框图如图3 所示。

2.2 信号处理程序

在碳纤维复合材料钻削加工过程中, 由于材料的难加工性, 以及外界不可控制因素的存在, 会产生较大的噪声, 干扰振动信号。因此首先需要对信号进行滤波处理, 采用butterworth滤波器。主轴最高转速为15 000 r / min, 其转动频率为250 Hz, 切削力频率为500 Hz, 分析其5 倍频以下, 故将滤波器的高截止频率设定为3 000 Hz以上频率为加工噪声引起的干扰信号。局限信号纪录产生的不相符特征, 会造成谱信息的泄露, 采用窗函数可以改善该现象。通常采用汉宁窗 ( hanning window) , 良好的频率分辨率可有效抑制谱泄露。

对滤波后的信号进行时域分析, 计算有效值, 即对加工过程的加速度信号计算其均方根值, 以观测振动幅值的变化曲线。但是时域信号并不能反映其异常振动点, 因此需要对加速度信号进行频谱变换, 得到频域上的振动频率分量, 由频率分量分析振动源。以减小振动频率分量的幅值为目标, 合理选择切削参数, 从而有效控制主轴振动。对所采集的离散信号进行FFT快速傅里叶变换, 选用功率谱密度函数 ( PSD) , 计算时间信号的平均自功率谱。振动信号处理程序框图如图4 所示。

2.3 总体程序设计

主轴振动信号的采集为3 通道同时采集, 对采集后的信号分别进行原始信号显示、时域信号分析、频域信号分析, 并导出处理后的数据进行分析。处理后的信号均以波形图显示出来, 结构较为复杂, 因而需采用条件结构, 控制多个子程序框图的执行。不同子VI间的数据传递通过全局变量实现。设计的系统交互界面如图5、图6所示。

3 钻削加工实验分析

碳纤维复合材料钻削加工实验中, 通过测量机床主轴振动信号, 分析不同切削阶段主轴的振动特性, 确定振动源, 实现对振动量的有效控制, 便是实验的目的。

3.1 实验平台搭建

实验材料选用碳纤维树脂基增强复合材料, 复合材料为0°、90° 纤维方向交叉铺设。实验刀具采用直径为6 mm、8 mm、10 mm整体硬质合金麻花钻。为减小工件振动对机床主轴振动产生的耦合作用, 设计了一个工件夹具, 碳纤维加工成15 mm×15 mm的矩形件, 由三爪卡盘固定在机床上。

实验测试系统由3 个单向的加速度传感器实现信号的采集, 采集后的信号传入NI-PXI-4492 振动采集仪, 后经所开发的Labview振动信号分析程序进行处理。

3.2空转与空转+进给实验 ( 不同加工阶段实验)

判断振动是否由主轴不平衡力或进给运动所引起, 可通过分析机床空转和空转+空进给阶段。空转阶段, 设置主轴转速为3 000 r/min, 主轴旋转频率SF=n/60 ( n为主轴转速) , SF = 50 Hz。观察主轴振动幅频曲线如图7 所示, 由图中可知主轴旋转频率分量的幅值不大, 其中z方向的幅值最小。3个方向的振动均对主轴的影响较小, 可以忽略。设置进给速度为0.1 mm/r, 结合空转运动, 由测量所得的幅频曲线可以看出, 进给运动对主轴振动的影响很小。

3.3 变切削参数实验

碳纤维钻削实验中, 通过改变切削参数: 主轴转速、进给量、刀具直径。研究不同切削条件下, 参数对主轴振动的影响规律, 优化碳纤维加工钻削参数, 提高零件加工表面质量。试验参数如表1 所示。

分析主轴转速为3 000 r/min, 进给量为0.1 mm/r, 刀具直径为8 mm切削条件下, 机床主轴振动信号曲线。由y方向功率谱密度曲线图中可知, 频率为46.7 Hz和97 Hz为频率异常值。46.7 Hz频率与主轴旋转频率3 000/60 =50 Hz接近, 出现的偏差, 是由于实际运转中实际转速达不到理论转速。频率为97 Hz的峰值则为刀齿切入频率TPF ( TPF = Zn / 60, Z为钻头刃数) , TPF = 2 × 3 000 / 60 =100 Hz。对比两频率值的峰值可知, 由主轴不平衡力引起的振动值远远小于刀齿切入频率, 因而主轴振动是由切削力所引起, 该振动为强迫振动。

观察变转速时见图8, 图8 中振动频谱曲线, 可知随着转速升高, 主轴振动主频幅值减小。 在转速3 000 r / min、6 000 r / min、11 000 r / min处, 主频幅值出现异常值, 突然剧增。由模态实验测试结果可知, 主轴前三阶模态频率分别为97 Hz、197 Hz以及360 Hz, 所对应的转速与异常点值接近。因而幅频曲线中出现的异常值是由于机床共振现象所引起的。

改变进给速度, 观察振动频谱曲线幅值变化见图9。图中除了TPF频率分量, 还出现了2TPF、3TPF等, 但峰值最大的依然是TPF频率分量。因此对比改变进给量时, TPF处峰值的变化曲线, 由图中可知, 随着进给量的增大, 振动幅值也逐渐增大。改变刀具直径, 加工参数相同, 由频谱曲线可知, 随着刀具直径的增大, 主轴振动幅值增大, 如图10 可示。

4 结论

测试了碳纤维复合材料钻削过程中, 机床主轴的振动信号, 基于Labview软件, 开发振动测试分析系统。对主轴振动信号进行时域分析和频谱分析, 由实验结果可知: 机床振动原因是由于钻削力所引起, 属于强迫振动。改变切削条件, 绘制规律曲线, 随着主轴转速的升高, 振动幅值逐渐减小。主轴转速为3 000 r/min、6 000 r/min、11 000 r / min时幅值出现异常点, 为共振现象所引起。随着进给量的增大, 主轴振动幅值变大, 同时刀具直径的增大, 也将使主轴振动幅值增大。

摘要：复合材料钻削过程中, 由于材料的难加工性, 机床主轴产生的振动对加工零件的表面精度和刀具寿命影响较大。需要对机床振动进行实时监测和控制, 基于Labview软件开发了一套机床主轴振动测试分析系统。以雕铣机DK6050为研究对象, 进行碳纤维复合材料钻削试验, 由压电式加速度传感器采集主轴振动信号, 进行频谱分析。实验结果表明该方法可准确找出振动源, 得出不同切削参数对主轴振动的影响规律, 为优化加工参数, 提高表面质量提供实验依据。

关键词：碳纤维复合材料,钻削,主轴振动,振动测试系统,频谱分析

参考文献

[1]Davim J P, Reis P.Drilling carbon fiber reinforced plastics manufactured by autoclave-experimental and statistical study[J].Materials&design, 2003, 24 (5) :315-324.

[2]张厚江.高速钻削碳纤维复合材料钻削力的研究[J].航空制造技术, 2006 (12) :76-79.

[3]Davim J P, Reis P.Study of delamination in drilling carbon fiber reinforced plastics (CFRP) using design experiments[J].Composite structures, 2003, 59 (4) :481-487.

[4]江浩, 龙新华, 孟光.侧铣加工动力学建模及仿真[J].振动与冲击, 2013, 32 (6) :152-156.

[5]郑鹏.机床加工过程振动特性及对加工表面质量影响的研究[D].武汉:华中科技大学, 2012.