刀具结构对CFRP/Ti-6Al-4V叠层材料陀螺铣削性能影响的实验研究

《Chinese Journal of Mechanical Engineering》：Study on the influence of tool structure on the gyroscopic milling performance of CFRP/Ti-6Al-4V stacked materials

本文针对CFRP/Ti-6Al-4V叠层材料制孔质量难题，提出陀螺铣削新方法，通过多刀具对比实验揭示转角半径对轴向力、切削温度和孔出口质量的影响规律。研究表明增大刀具转角半径可显著降低CFRP出口撕裂因子和Ti-6Al-4V出口毛刺高度，为航空航天领域叠层材料高性能加工提供新方案。

　　

在航空航天工业领域，碳纤维增强复合材料（CFRP）和钛合金（Ti-6Al-4V）组成的叠层结构因其优异的力学性能被广泛应用于关键部件制造。然而，这两种材料在机械性能和热物理性质上存在显著差异：CFRP具有各向异性且对热敏感，当切削温度超过树脂基体玻璃化转变温度（T_g）时易产生分层损伤；而Ti-6Al-4V则因强度高、导热性差，切削过程中易产生高温和较大切削力。这种"软硬交替"的材料特性使得传统制孔工艺面临严峻挑战——常规钻孔容易导致CFRP出口撕裂、钛合金出口毛刺高度超标，而螺旋铣削又存在切削速度为零的"死点"问题，制约了叠层结构件的装配精度和使用寿命。

为解决这一行业痛点，哈尔滨理工大学研究团队在《Chinese Journal of Mechanical Engineering》发表最新研究，创新性地提出陀螺铣削工艺。该方法通过使刀具轴线与孔轴线形成倾角θ，让刀具在作自转运动（转速n）的同时，还绕孔轴线作圆锥摆动式公转（转速N），并沿轴向进给（速度V_f），从而彻底消除了传统螺旋铣削中切削速度为零的缺陷。这种运动方式使得刀具能够逐渐切入和切出工件，显著改善了叠层材料的加工质量。

研究团队自主开发了陀螺铣削执行机构，构建了包含双向多点错位热电偶测温系统的实验平台。通过轴向预埋和径向可拆卸夹块相结合的创新测温方案，实现了CFRP加工区、双材料加工区和Ti-6Al-4V加工区温度的精准测量。采用三种不同转角半径（0.5mm、1mm、2mm）的TiAlN涂层超细晶硬质合金铣刀，在保持刀具直径（6mm）、螺旋角（35°）等参数一致的前提下，系统研究了刀具结构和工艺参数（主轴转速、公转转速、进给速度）对轴向力、切削温度和制孔质量的影响规律。

关键技术方法包括：1）基于自主研制陀螺铣削执行机构的实验系统搭建；2）轴向-径向双向多点错位热电偶测温技术，通过5个测点（P1-P5）实时监测不同加工区温度；3）采用超深显微镜和扫描电镜量化评估CFRP出口撕裂因子（F_s）和Ti-6Al-4V出口毛刺高度；4）通过单因素实验法分析切削参数的影响规律。

3.1 轴向力分析

轴向力曲线呈现明显的五阶段特征（A-B、B-C、C-D、D-E、E-F），对应刀具在CFRP加工区、双材料加工区和Ti-6Al-4V加工区的切削过程。随着刀具转角半径从0.5mm增大至2mm，轴向力在A-B段和C-D段的增长率显著降低，峰值轴向力下降约25%。当采用2mm转角半径铣刀时，Ti-6Al-4V加工区的轴向力仅为CFPR加工区的3-4倍，而较小转角半径刀具该比值可达5倍以上。参数影响研究表明，进给速度对轴向力的影响最为显著，当V_f从0.04mm/s增至0.10mm/s时，轴向力增幅达38.2%，而主轴转速从500r/min提升至2000r/min可使轴向力降低21.7%。

3.2 切削温度分布

测温数据显示切削温度从CFRP加工区到Ti-6Al-4V加工区呈阶梯式上升趋势，Ti-6Al-4V加工区温度较CFRP区高2.8-3.5倍。刀具转角半径的增大有效降低了各加工区温度：与0.5mm转角半径刀具相比，2mm刀具使CFRP加工区温度降低18.48%，双材料加工区降低22.1%，Ti-6Al-4V加工区降幅达25.99%。这种降温效应源于较大转角半径增加了刀-屑接触长度，改善了散热条件。在参数影响方面，进给速度对温度的影响最为显著，而Ti-6Al-4V加工区的温度对参数变化最敏感。

3.3 制孔质量评价

孔出口质量分析表明，增大刀具转角半径可同时改善CFRP出口撕裂和Ti-6Al-4V出口毛刺。当转角半径从0.5mm增至2mm时，CFRP出口撕裂因子从1.32降至0.87，Ti-6Al-4V出口毛刺高度从128μm减少至73μm。机理分析显示，较大转角半径通过减小出口处残留材料的长度L、增加其厚度H，增强了材料抵抗弯曲变形的能力。同时，转角半径将切削深度分解为多个渐进式小切深，实现了材料的平稳去除。在工艺参数影响方面，进给速度对出口质量影响最大，V_f从0.04mm/s增至0.10mm/s导致撕裂因子增加46.3%，而提高主轴转速可在一定程度上改善出口质量。

本研究通过系统的实验分析，揭示了陀螺铣削CFRP/Ti-6Al-4V叠层材料中刀具结构与加工性能的内在联系。研究证实增大刀具转角半径可同步降低轴向力和切削温度，并通过增强出口处残留材料的变形抵抗能力，显著改善孔出口质量。提出的双向多点错位测温方法为叠层材料切削热研究提供了新方案。研究成果对航空航天领域高性能叠层构件的精密加工具有重要指导意义，为刀具优化设计和工艺参数选择提供了理论依据。未来研究可进一步探索刀具涂层、冷却条件等因素与陀螺铣削的协同增效机制，推动该技术在工业现场的广泛应用。