多向铺层CFRP复合材料螺旋铣孔切削力模型研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240071

摘要/Abstract

摘要：

为了准确预测多向铺层碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料在螺旋铣孔过程中的切削力，基于多向CFRP的材料特点和螺旋铣孔的加工原理，考虑不同纤维铺层螺旋铣孔层间效应，分析纤维方向角对切削力的影响；根据不同切削区域受力情况计算微元切削力，通过叠加原理建立了多向铺层复合材料螺旋铣孔切削力模型.并开展了多向CFRP螺旋铣孔试验，对试验测得的切削力进行滤波处理后进行分析，根据试验数据标定层间效应系数，将试验测得的切削力与模型预测的切削力进行比较.结果显示：X，Y向切削力最大误差不超过20%，Z向切削力最大误差不超过10%，试验结果验证了模型的正确性.

关键词: 多向铺层, 碳纤维复合材料, 螺旋铣孔, 切削力, 层间效应

Abstract:

In order to accurately predict cutting forces during helical milling of multi-directional layup carbon fiber reinforced polymer（CFRP） composites， the characteristics of multi-directional CFRP material and the principle of helical milling were analyzed， and the interlayer effects among different fibers of helical milling were considered， the influence of fiber orientation angle on cutting forces was explored. Based on the force conditions in different cutting regions， the microelement cutting force was calculated using the superposition principle， and the cutting force model in helical milling of multi-directional layup composite material was established. Helical milling experiments on multi-directional CFRP were carried out， and the measured cutting force after filtering by the experiment was analyzed. According to the experimental data， the interlayer effect coefficients were calibrated， and experimentally measured cutting forces were compared with the predicted one by the model. The results show that the maximum error of X and Y directional forces is less than 20% and the maximum error of Z directional force is less than 10%， which verifies the correctness of the model.

Key words: multi-directional layup, carbon fiber composites, helical milling, cutting force, interlayer effect

中图分类号:

TH 161

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图/表 12

图1 螺旋铣孔加工过程

Fig.1 Helical milling process

图2 0°纤维方向时的纤维切削角

Fig.2 Fiber cutting angle at 0° fiber orientation

图3 多向铺层CFRP

Fig.3 Multi-directional layup CFRP

图4 支撑作用下的切削状态

Fig.4 Cutting state with support

图5 多向CFRP螺旋铣孔

Fig.5 Helical milling of multi-directional CFRP

图6 压缩和弯曲变形下侧刃受力状况

Fig.6 Force condition on side edge under compression and bending deformation

图7 螺旋铣孔试验

Fig.7 Helical milling experiment

表1 螺旋铣孔正交试验

Table 1 Orthogonal experiment for helical milling

切削参数	水平
切削参数	1	2	3
主轴转速n_rot/(r·min^-1)	4 000	6 000	8 000
轴向切削深度a/(mm·r^-1)	0.1	0.15	0.2
每齿进给量s_t/(mm·齿^-1)	0.04	0.06	0.08

图8 多向CFRP螺旋铣孔切削力（a）—试验测得切削力；（b）—滤波处理后的稳态切削力.

Fig.8 Cutting forces in helical milling of multi-directional CFRPFxFyFzt=At,nrot,st,alxlylz90°/135°. (20)

表2 层间效应系数

Table 2 Interlayer effect coefficients

$l 90 x$	$l 90 y$	$l 90 z$	$l 135 x$	$l 135 y$	$l 135 z$
0.93	0.56	0.96	0.74	0.44	0.87

表2 层间效应系数

Table 2 Interlayer effect coefficients

$l 90 x$	$l 90 y$	$l 90 z$	$l 135 x$	$l 135 y$	$l 135 z$
0.93	0.56	0.96	0.74	0.44	0.87

图9 不同切削条件下切削力理论值与试验值对比

Fig.9 Comparison of cutting forces between theoretical and experimental values under different cutting parameters（a）—nrot=8 000 r/min，a=0.15 mm/r，st=0.06 mm/齿；（b）—nrot=4 000 r/min，a=0.15 mm/r，st=0.08 mm/齿.

表3 三向切削力误差分析 (forces %)

Table 3 Error analysis of three-directional cutting

误差	1	2	3	4	5
X向力误差	19.19	17.62	19.03	9.75	11.73
Y向力误差	18.81	6.53	9.88	15.04	19.80
Z向力误差	2.53	5.67	2.54	1.39	9.62

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