一种碳纤维接头圆弧型面的铣削方法
阅读说明：本技术 一种碳纤维接头圆弧型面的铣削方法 (Milling method for arc-shaped surface of carbon fiber joint ) 是由 徐正德 刘展 文琴 唐丹 王志超 胡金辉 张川 任康文 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本申请涉及机械加工技术领域,公开了一种碳纤维接头圆弧型面的铣削方法,所述方法采用变摆角桁切的方式,提出了一种侧刃大余量粗铣-底齿大切削用量半精加工-底齿小切削用量精加工的工艺策略,在加工时,合理分布粗、精加工工艺余量及加工参数,整体提升了铣削效率,同时还实现了圆弧型面与相切直纹面同时加工成形以及碳纤维大曲率圆弧型面结构的稳定铣削,消除了圆弧型面与相切直纹面过渡区域的接刀台阶,提升了碳纤维接头圆弧型面的表面质量完整性。(The application relates to the technical field of machining, and discloses a milling method of a carbon fiber joint arc-shaped surface, wherein a mode of variable swing angle truss cutting is adopted, a process strategy of side edge large-allowance rough milling, bottom tooth large-cutting-amount semi-finish machining and bottom tooth small-cutting-amount finish machining is provided, when machining is carried out, rough machining, finish machining process allowance and machining parameters are reasonably distributed, the milling efficiency is integrally improved, meanwhile, the arc-shaped surface and a tangent ruled surface are machined and formed simultaneously, and the stable milling of a carbon fiber large-curvature arc-shaped surface structure is realized, a cutter connecting step of an arc-shaped surface and a tangent ruled surface transition region is eliminated, and the surface quality integrity of the carbon fiber joint arc-shaped surface is improved.)
技术领域
本申请涉及机械加工技术领域，具体涉及一种碳纤维接头圆弧型面的铣削方法。
背景技术
碳纤维（material，Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）是一种以高强度、高模量的碳纤维为增强相，以抗疲劳、耐腐蚀的树脂作为基体相，复合而成的一种先进复合材料，具有强度和比刚度大、密度小、耐腐蚀、加工成形方便等优异性能，在航空、航天领域得到了广泛应用和推广，已成为大型承力构件的主流材料。
然而，由于增强纤维和树脂基体的导热性、热膨胀系数等物理性能和力学性能均有很大的差别，导致其切削破坏形式与金属材料差异很大。碳纤维材料在切削过程中除了受到增强纤维和树脂基体特性的影响外，还受到增强纤维的取向分布等因素影响，使得其具有硬度高、层间强度低、脆性大、各向异性等特点，在铣削加工中存在纤维分层、撕裂等加工缺陷，给碳纤维材料的高质高效数控铣削带来了很多困难。刀具在基体材料和碳纤维材料间交替作用，这两相材料的不均匀性使得刀具切削性能匹配存在较大的差异，使得在同一切削刃口的作用下，两相材料容易在切削过程中产生材料分离不协调；碳纤维复合材料的各项异性体现在不同纤维方向下材料的去除机理不同，层间结合强度仅为其沿纤维方向抗拉强度的5%~20%，易在过大切削力的作用下形成层间分层而且树脂在铣削过程中会产生较大的塑性变形，尤其在切削温度的影响下极易丧失基体材料原有的强度、硬度，并使得增强材料失去应有的保护和支撑，极易产生纤维撕裂、毛刺、分层、纤维束拔出等加工缺陷。因此，实现碳纤维构件高质、高效、高精度数控铣削已成为碳纤维复合材料制造加工及推广应用的关键技术难点。
当前，碳纤维构件铺叠和固化成形的圆弧型面曲率较小，圆心角θ一般不超过90°。现有总体加工工艺为定摆角桁切，即刀具轴线与型面法线呈5～10°关系，利用刀具底角R以小切深、小切宽、来回走刀的方式进行铣削（如图1所示），存在型面加工效率较低的问题；进一步地，针对圆心角大于90°的大曲率圆弧型面结构（如图2所示），采用圆弧分段、圆弧与直纹面分段的方式进行定摆桁切，由于不同圆弧段的刀具摆角差异，导致各段型面间存在局部残留和接刀台阶，影响型面整体表面质量。
综上所述，由于现有工艺方案存在加工效率低、表面质量差等问题，已无法满足碳纤维型面加工需求，亟待探索一种高效、优质的型面铣削通用方法。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题和缺陷，本申请提出了一种用于碳纤维接头圆弧型面的数控铣削方法，旨在实现碳纤维材料大曲率圆弧型面结构的高质高效铣削加工。
为了实现上述发明目的，本申请的技术方案如下：
一种碳纤维接头圆弧型面的铣削方法，其特征在于：首先选择切削刃为高强度PCD材质的大直径立铣刀，采用刀具侧刃以大切削用量粗铣圆弧型面及相切直纹面；其次调整切削深度，利用刀具底齿半精铣型面；最后通过刀具底齿采用小切深切宽、高进给参数组合精铣型面到位。
优选地，选用的立铣刀刀具直径D≥20mm，底角R≥5mm。
优选地，所述铣削碳纤维接头圆弧型面及相切直纹面时，使用的立铣刀刀具直径D≥20mm，底角R≥5mm。铣削方式为变摆角桁切，摆角范围为90°＜α≤180°，圆弧型面与相切直纹面由同一走刀轨迹加工成形，且刀具轴线始终沿型面法线。
优选地，所述变摆角桁切加工圆弧型面及相切直纹面时，走刀轨迹为来回走刀，铣削方向与零件纤维束方向平行，进退刀点、变向点及加减速点均设置在零件结构之外，且轴向不分层。
优选地，所述粗铣圆弧型面及相切直纹面时，切深Ap≥1.2R，切宽Ae=（1/6~1/7）D，利用侧刃实现大余量铣削，转速S≥16000r/min，进给量F≤1000mm/min，留有工艺余量5.5~6mm。
优选地，所述半精铣圆弧型面及相切直纹面时，切深0.8R ≤Ap＜R，切宽Ae=（1/6~1/7）D，利用刀具底齿R进行铣削，转速S≥16000r/min，进给量为（1 ~1.5）F，留有工艺余量1.5~2mm。
优选地，所述半精铣圆弧型面及相切直纹面时，切深Ap≤2mm，切宽Ae=（1/9~1/10）D，进给量为（1.5~2）F，转速S≥16000r/min，利用刀具底齿R桁切到位。
本申请的有益效果：
（1）本申请提出了一种侧刃大余量粗铣-底齿大切削用量半精加工-底齿小切削用量精加工的工艺策略，在加工时，合理分布粗、精加工工艺余量及加工参数，整体提升了铣削效率。
（2）本申请所采用的变摆角桁切方式，适用于圆心角90°＜α≤180°的大曲率圆弧型面一次加工整体成形，能够消除圆弧分段定摆加工、圆弧段与相切直纹面分段加工导致的局部残留和接刀台阶等问题，保证了圆弧型面表面质量的完整性。
（3）本申请变摆角来回走刀方式下的进、退刀点、变向点以及加减速点均设置零件外部，且刀具轴线始终沿圆弧型面法线，实现切削方向平行于零件纤维方向，有利于刀具与碳纤维材料之间的均匀切削，减小了切削力和变向减少，因此进一步提高了铣削效率。
附图说明
本申请的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1是现有技术定摆角铣削碳纤维构件圆弧型面的工艺路线示意图；
图2是碳纤维接头大曲率圆弧型面结构示意图；
图3是本申请变摆角桁切碳纤维接头圆弧型面的工艺方法示意图；
图4是本申请粗铣、半精加工碳纤维接头圆弧型面的走刀轨迹工示意图；
图5是本申请精加工碳纤维接头圆弧型面的走刀轨迹工示意图。
图中：
1、普通型面；2、立铣刀；3、大曲率圆弧型面；4、与圆弧型面起始端相切的直纹面；5、与圆弧型面末端相切的直纹面；6、碳纤维接头；7、半精铣型面的切削用量；8、精加工型面的切削用量；9、粗铣、半精铣型面的走刀轨迹；10、精加工型面的走刀轨迹。
具体实施方式
下面通过具体的实施例来进一步说明实现本申请发明目的的技术方案，需要说明的是，本申请要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
参照说明书附图2-5所示，本申请公开了一种碳纤维接头圆弧型面的铣削方法，具体通过以下方式和步骤实现：
第一步：粗铣圆弧型面及相切直纹面，采用刀具直径D≥20mm，底角R≥5mm，切削刃为高强度PCD材质的立铣刀2；采用变摆角来回走刀的方式，铣削过程中机床主轴摆角根据型面法向的变化而不断变化，通过刀具侧刃实现切深Ap≥1.2R的大余量铣削，同步完成碳纤维接头6大曲率圆弧型面5与相切直纹面3和4的铣削加工，形成走刀轨迹9；铣削参数设置为：切深Ap≥1.2R，切宽Ae=（1/6~1/7）D，转速S≥16000r/min，进给量F≤1000mm/min。
第二步：调整切削深度至0.8R ≤Ap＜R，进给量提高至（1 ~1.5）F，采用刀具底齿半精加工型面，形成走刀轨迹9。
第三步：优化切削参数：切深Ap≤2mm，切宽Ae=（1/9~1/10）D，进给量为（1.5~2）F，利用刀具底齿R桁切型面到位，形成走刀轨迹10。
其中，碳纤维接头圆弧型面铣削加工的走刀轨迹设计如图4和图5所示：本申请提出了一种适合大曲率圆弧型面的加工策略，将碳纤维接头的大曲率圆弧型面与相切直纹面接合成一个整体型面，采用变摆角桁切的走刀方式，刀轴摆角变化范围为90°＜α=180°-μ≤180°，可以实现所有型面在同一走刀轨迹下同时加工成形，不仅能够提高加工效率，而且还能解决分段铣削加工中出现的局部残留和接刀台阶的问题，保证了加工型面的表面质量完整性。同时，刀轨中进、退刀点、 变向点及加减速点均设置在零件外部，且刀具轴线始终沿圆弧型面法线，使得切削方向平行于零件纤维方向，有利于刀具与碳纤维材料之间的均匀切削，减小了切削力，进一步提高了加工效率和稳定性。
碳纤维接头圆弧型面铣削加工时切削工艺余量规划如图3所示：粗铣时采用大切深切宽、小进给的加工方式，利用刀具侧刃进行大余量切削，留有工艺余量Δ1+Δ2=5.5~6mm，且轴向不分层，提高材料去除率；半精铣时切深小于刀具底齿R，利用刀具底齿进行变摆角桁切，留有工艺余量Δ2=1.5~2mm，稳定去除材料余量，提升表面质量；精铣时采用小切深切宽、高进给的加工方式，通过减少切削余量降低切削力，进一步提升加工型面的表面质量完整性。
采用本申请的加工方法对碳纤维接头圆弧型面进行铣削，进给速度由之前的600mm/min提升到了1200mm/min，加工效率提升了50%，并且在加工过程中消除了原有加工方法的接刀台阶结构，保证了圆弧型面表面质量的完整性。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式上的限制，凡是依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本申请的保护范围之内。
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