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摘 要：碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）因其具备高比强度、各向异性与层压性等特征，在进行加工时易出现分层、毛刺、撕裂与其他缺陷。运用金刚石磨片进行高速切削能够有效提升碳纤维复合材料的加工质量。但显然受刀具振动影响，在对刀具和主轴进行有限元分析基础上，研究刀具和主轴振动对精密切削CFRP切削形态的影响，并且通过测量主轴振动幅度进行验证。理论研究与实验结果表明，切削力对主轴固有振动刺激影响较小;碳纤维间歇切割是主轴额外振动的重要来源;碳纤维复合材料本身存在较多缺陷，例如：微孔、微裂纹等，由于切削工具振动幅度正在进一步增大，主轴振动是在高速微切削中造成CFRP损坏的首要原因。
关键词：碳纤维增强树脂复合材料;主轴振动;精密切割;机床加工;振动频率
中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）10-0137-03
Analysis of Influence of Tool and Spindle Vibration on Precision Cutting CFRP Material
Li Guiyu
（Dongying Vocational Institute， Dongying 257091， China）
Abstract：Carbon fiber reinforced resin composites （CFRP） are prone to delamination， burr， tear and other defects during processing due to their high specific strength， anisotropy and laminating properties. High-speed cutting with diamond grinders can effectively improve the machining quality of carbon fiber composites. However， due to the influence of tool vibration， based on the finite element analysis of tool and spindle， the influence of tool and spindle vibration on the cutting shape of precision cutting CFRP was studied， and the vibration amplitude of spindle was measured to verify the effect. Theoretical research and experimental results show that the cutting force has little effect on the natural vibration stimulation of the spindle. Intermittent cutting of carbon fiber is an important source of extra vibration of spindle. Carbon fiber composites themselves have many defects， such as microholes， microcracks， etc.， because the vibration amplitude of cutting tools is further increasing， spindle vibration is the primary cause of CFRP damage in high-speed microcutting.
Key words：carbon fiber reinforced resin composites; spindle vibration; precision cutting; machine tool processing; vibration frequency
0 引言
碳纤维复合材料具有高比模量、较低密度、耐高温、高比强度以及出色的抗震能等优势特征，被众多工业领域广泛应用。基于CFRP具备多种优异特征，在传统钻孔、铣削和切割方法中基体极易发生破碎、毛刺、分層以及纤维层断裂等现象。加工技术逐渐先进，因此对机床技工质量与精准度提出较高要求，高速度精密切削方式能够有效提升机床加工的精确度。文章提到CFRP在经过精密划片机切割后，所得到的复合材料表面光滑、损伤程度较小。但是，实验结果显示，机床主轴的振动对CFRP的表面光滑程度产生较大影响，高速度切削中机床主轴的振动将直接影响机床加工的精密度。
机床主轴在切削过程中动态响应包括较多能够反映其运行状态的特征信息，尤其是切削负荷变化造成的机床主轴振动，其对机床加工精确度与质量起决定性作用。普通高速机床主轴为电动主轴，可将其振动形式分为机械振动、电磁振动两种，而当电动主轴正常运行时，主轴中各种谐波磁场经过相互作用产生磁场，最终形成主轴电磁振动，然而机械振动主要是在加工和加工生产过程中主轴质量不均衡所引起。所以，切削主轴振动响应对机床加工精确度与质量存在重大意义。
1 CFRP精密切割实验
信号收集持续时间为0.17s。进行切割时进给速度为5mm/s，即在每个信号采集周期中切割器向前移动0.65mm。此外，时域波形中两峰之间的实际距离为0.0015s，即两峰之间间隔距离为6.5μm，碳纤维切割直径约为7.5μm。清晰看出在切割纤维时所产生的切割力便是主轴振动根本原因。为更直接清晰观察振动信号发生规律，通过傅里叶技术对所测时域信号进行变换，最终得到振动信号频谱图，如图1所示。 在图1中看出，当主轴在垂直方向或水平方向上时振动频率会加倍，机床主轴会产生剧烈振动。其中，主轴频率为500Hz，转动频率为6990Hz，该频率由电动主轴内部转子极对数决定。通过比较空载和负载主轴振动幅度，没有发生明显变化，表明切削过程中切削力很小。实际频率和振幅变化如表1所示，因此切削力引起振动与主轴本身旋转相比不会对主轴造成较大振动。分析切削过程中机床振动原因可分为以下两方面：①纤维束在碳纤维复合材料中分布不均衡，导致切削力与切削量发生变化，其切削力较小属于微切削，切削力变化引起机床主轴振动幅度较小;②金刚石砂轮中磨粒在一定程度上磨损、脱落，磨粒脱落在机床主轴振动过程中进而增加主轴振动频率，随着新的磨粒加入到切削过程中，振动机床主轴逐渐稳定。通过比较切削力频谱与功率谱，能够清晰看出主轴振动规律与切削规律相同，并且两者在14倍频程处都存在一个较大峰值。
为更清楚观察刀具在30000r/min的速度下，切削时产生的变形现象，因此会收集振动信号进行处理，得到的功率谱曲线如图2所示，统计机床所产生的振动幅值，最终完成振动谐波响应分析。
2 CFRP精密切割方法与应用设备
用DS610精密划片机切割T300碳纤维复合材料，切削时设置主轴转动速度为30000r/min，进给速度为5mm/s，设置切削深度为0.3mm。将超薄金刚石切割片安装在电动主轴卡盘上，并将碳纤维复合层压板利用真空吸盘在工作台上进行固定。在测试之前，将传感器分别固定在主轴水平与垂直方向上，以方便探究主轴和刀具振动对切割碳纤维复合材料直接影响。为确保测试主轴在切削力作用下产生振动不受外界因素干扰，在启动状态下测量机床主轴对环境的振动，进而测量主轴在空转时产生的振动幅度，最后测量切削时主轴产生的振动幅度。
用于切割碳纤维复合材料的切割工具是超薄金属粘结切割片，在金属基体与金刚石磨料经过高温热压和烧结制作而成。切割片外围直径是59mm，厚度是0.25mm，金刚石磨粒直径在37～75μm以内。如图2所示，切割刀片表面暴露的金刚石磨料颗粒用于切割碳纤维复合材料。在切削前后测量复合材料的外形以及材料表面光滑度，方便下一步研究主轴与刀具振动幅度对切削外形的影响。
3 切割主轴与刀具振动模态研究
利用夹子将金属切割片压在主轴上，并且使切割刃露出约1.5mm高度。因为固定装置的厚度比工具厚度较大，因此主轴由悬臂结构支撑，刚度较弱的部件是主轴与刀具。所以，仅建立刀具与主轴的有限元模型用于模态分析。金属超薄金刚石砂轮的弹性模量为E1=1.27×105MPa、泊松比为μ1=0.23、密度ρ1=5200kg/m3。利用Lanzos方式对主轴模态进行分析。因为较低阶段模态对主轴整个系统产生较大影响，所以计算出主轴前5阶段模态，并得出它们排列形式。
3.1 金属切割刀具模态分析
表2是工具进行模型状态分析的最终结果，基于较低阶段的固定频率对振动幅度产生较大影响，因此仅列出前5阶段模态以及相应的振动模式和临界转动速度，当设置刀具转动速度为30000r/min时，刀具自身转动频率是在第一阶段与第二阶段固定频率之间，刀具振动模式以轴向变形为主，切削会引起切缝宽度增加，为有效观测刀具旋转状态时所发生的最大变形数值，进而提取刀具最外侧节点，如图3所示。
在图3中的最大径向变形值能够得出，当工具频率为500Hz时，一阶和二阶固定频率之间的变形约为0.3mm。因此，得出该工具可能在切割过程中对机床造成约0.3mm破坏层。
3.2 切割主轴模态分析
表3是主轴模型状态分析结果，由于低阶固定频率对振动产生较大影响，因此仅列出前6个相应模式形状与临界转动速度。当刀具转动速度为30000r/min时，主轴本身旋转频率小于刀具第一阶段固定频率，对应于主轴第一阶段固定频率的临界速度达到76795r/min，尽管不会造成共振现象发生，但远远超过机床最大转速限值40000r/min。当主轴本身频率为第一阶段固定频率时，主轴的振动方式主要为轴向摆动，即在切削时刀具沿中轴方向上下进行摆动。
4 结语
（1）主轴转动速度为20000r/min时，对切削面造成损伤较小，但切削面粗糙程度稍差，当主转动速度达到30000r/min时，切削面粗糙程度有所降低，但是出现较多微损伤。
（2）基于切削力作用下主轴振动与刀具振动响应的仿真分析，切削过程中切削力引起刀具振动幅度较小，刀具外形变化较小，因此刀具变形造成的损坏较小。
（3）由于在切削过程中主轴对刀具工件加工过程中存在诸如微孔、微裂纹等缺陷，因此，刀具振动加剧缺陷部分更为严重，甚至出现纤维和基质层损坏等现象。
（4）为有效提升刀具加工质量应从两个方面入手，一是减少主轴本身振动幅度，二是提高刀具綜合使用性能，主轴能够降低刀具在切削时所造成的损坏程度。
参考文献
[1]张德远，刘逸航，耿大喜，等.超声加工技术的研究进展[J].电加工与模具，2019（05）：1-10+19.
[2]张园，康仁科，刘津廷，等.超声振动辅助钻削技术综述[J].机械工程学报，2017，53（19）：33-44.
[3]陈芳.基于回转刀架的三自由度数控车削加工建模仿真分析[J].粘接，2020，42（06）：125-128+157.
[4]伍俏平，欧阳志勇，阳慧，等.超细晶硬质合金加工机理及加工性能[J].宇航材料工艺，2019，49（06）：1-6.
[5]蔡永林，高超峰.叶片曲面微结构加工刀位轨迹规划[J].北京交通大学学报，2019，43（06）：111-117.
[6]牛芳芳.复合材料连接技术研究现状[J].粘接，2021，45（01）：58-60.
[7]高航，袁业民，陈建锋，等.航空发动机整体叶盘磨料水射流开坯加工技术研究进展[J].航空学报，2020，41（02）：6-27.
[8]张宝磊，李聪，朱帅玲.CFRP碳纤维增强树脂基复合材料超声辅助切削技术研究现状与展望[J].装备制造技术，2020（07）：185-190+193.
[9]宋育红.玻纤复合材料桨叶试件多轴数控加工研究[J].粘接，2020，44（12）：109-112.
关键词：碳纤维增强树脂复合材料;主轴振动;精密切割;机床加工;振动频率
中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）10-0137-03
Analysis of Influence of Tool and Spindle Vibration on Precision Cutting CFRP Material
Li Guiyu
（Dongying Vocational Institute， Dongying 257091， China）
Abstract：Carbon fiber reinforced resin composites （CFRP） are prone to delamination， burr， tear and other defects during processing due to their high specific strength， anisotropy and laminating properties. High-speed cutting with diamond grinders can effectively improve the machining quality of carbon fiber composites. However， due to the influence of tool vibration， based on the finite element analysis of tool and spindle， the influence of tool and spindle vibration on the cutting shape of precision cutting CFRP was studied， and the vibration amplitude of spindle was measured to verify the effect. Theoretical research and experimental results show that the cutting force has little effect on the natural vibration stimulation of the spindle. Intermittent cutting of carbon fiber is an important source of extra vibration of spindle. Carbon fiber composites themselves have many defects， such as microholes， microcracks， etc.， because the vibration amplitude of cutting tools is further increasing， spindle vibration is the primary cause of CFRP damage in high-speed microcutting.
Key words：carbon fiber reinforced resin composites; spindle vibration; precision cutting; machine tool processing; vibration frequency
0 引言
碳纤维复合材料具有高比模量、较低密度、耐高温、高比强度以及出色的抗震能等优势特征，被众多工业领域广泛应用。基于CFRP具备多种优异特征，在传统钻孔、铣削和切割方法中基体极易发生破碎、毛刺、分層以及纤维层断裂等现象。加工技术逐渐先进，因此对机床技工质量与精准度提出较高要求，高速度精密切削方式能够有效提升机床加工的精确度。文章提到CFRP在经过精密划片机切割后，所得到的复合材料表面光滑、损伤程度较小。但是，实验结果显示，机床主轴的振动对CFRP的表面光滑程度产生较大影响，高速度切削中机床主轴的振动将直接影响机床加工的精密度。
机床主轴在切削过程中动态响应包括较多能够反映其运行状态的特征信息，尤其是切削负荷变化造成的机床主轴振动，其对机床加工精确度与质量起决定性作用。普通高速机床主轴为电动主轴，可将其振动形式分为机械振动、电磁振动两种，而当电动主轴正常运行时，主轴中各种谐波磁场经过相互作用产生磁场，最终形成主轴电磁振动，然而机械振动主要是在加工和加工生产过程中主轴质量不均衡所引起。所以，切削主轴振动响应对机床加工精确度与质量存在重大意义。
1 CFRP精密切割实验
信号收集持续时间为0.17s。进行切割时进给速度为5mm/s，即在每个信号采集周期中切割器向前移动0.65mm。此外，时域波形中两峰之间的实际距离为0.0015s，即两峰之间间隔距离为6.5μm，碳纤维切割直径约为7.5μm。清晰看出在切割纤维时所产生的切割力便是主轴振动根本原因。为更直接清晰观察振动信号发生规律，通过傅里叶技术对所测时域信号进行变换，最终得到振动信号频谱图，如图1所示。 在图1中看出，当主轴在垂直方向或水平方向上时振动频率会加倍，机床主轴会产生剧烈振动。其中，主轴频率为500Hz，转动频率为6990Hz，该频率由电动主轴内部转子极对数决定。通过比较空载和负载主轴振动幅度，没有发生明显变化，表明切削过程中切削力很小。实际频率和振幅变化如表1所示，因此切削力引起振动与主轴本身旋转相比不会对主轴造成较大振动。分析切削过程中机床振动原因可分为以下两方面：①纤维束在碳纤维复合材料中分布不均衡，导致切削力与切削量发生变化，其切削力较小属于微切削，切削力变化引起机床主轴振动幅度较小;②金刚石砂轮中磨粒在一定程度上磨损、脱落，磨粒脱落在机床主轴振动过程中进而增加主轴振动频率，随着新的磨粒加入到切削过程中，振动机床主轴逐渐稳定。通过比较切削力频谱与功率谱，能够清晰看出主轴振动规律与切削规律相同，并且两者在14倍频程处都存在一个较大峰值。
为更清楚观察刀具在30000r/min的速度下，切削时产生的变形现象，因此会收集振动信号进行处理，得到的功率谱曲线如图2所示，统计机床所产生的振动幅值，最终完成振动谐波响应分析。
2 CFRP精密切割方法与应用设备
用DS610精密划片机切割T300碳纤维复合材料，切削时设置主轴转动速度为30000r/min，进给速度为5mm/s，设置切削深度为0.3mm。将超薄金刚石切割片安装在电动主轴卡盘上，并将碳纤维复合层压板利用真空吸盘在工作台上进行固定。在测试之前，将传感器分别固定在主轴水平与垂直方向上，以方便探究主轴和刀具振动对切割碳纤维复合材料直接影响。为确保测试主轴在切削力作用下产生振动不受外界因素干扰，在启动状态下测量机床主轴对环境的振动，进而测量主轴在空转时产生的振动幅度，最后测量切削时主轴产生的振动幅度。
用于切割碳纤维复合材料的切割工具是超薄金属粘结切割片，在金属基体与金刚石磨料经过高温热压和烧结制作而成。切割片外围直径是59mm，厚度是0.25mm，金刚石磨粒直径在37～75μm以内。如图2所示，切割刀片表面暴露的金刚石磨料颗粒用于切割碳纤维复合材料。在切削前后测量复合材料的外形以及材料表面光滑度，方便下一步研究主轴与刀具振动幅度对切削外形的影响。
3 切割主轴与刀具振动模态研究
利用夹子将金属切割片压在主轴上，并且使切割刃露出约1.5mm高度。因为固定装置的厚度比工具厚度较大，因此主轴由悬臂结构支撑，刚度较弱的部件是主轴与刀具。所以，仅建立刀具与主轴的有限元模型用于模态分析。金属超薄金刚石砂轮的弹性模量为E1=1.27×105MPa、泊松比为μ1=0.23、密度ρ1=5200kg/m3。利用Lanzos方式对主轴模态进行分析。因为较低阶段模态对主轴整个系统产生较大影响，所以计算出主轴前5阶段模态，并得出它们排列形式。
3.1 金属切割刀具模态分析
表2是工具进行模型状态分析的最终结果，基于较低阶段的固定频率对振动幅度产生较大影响，因此仅列出前5阶段模态以及相应的振动模式和临界转动速度，当设置刀具转动速度为30000r/min时，刀具自身转动频率是在第一阶段与第二阶段固定频率之间，刀具振动模式以轴向变形为主，切削会引起切缝宽度增加，为有效观测刀具旋转状态时所发生的最大变形数值，进而提取刀具最外侧节点，如图3所示。
在图3中的最大径向变形值能够得出，当工具频率为500Hz时，一阶和二阶固定频率之间的变形约为0.3mm。因此，得出该工具可能在切割过程中对机床造成约0.3mm破坏层。
3.2 切割主轴模态分析
表3是主轴模型状态分析结果，由于低阶固定频率对振动产生较大影响，因此仅列出前6个相应模式形状与临界转动速度。当刀具转动速度为30000r/min时，主轴本身旋转频率小于刀具第一阶段固定频率，对应于主轴第一阶段固定频率的临界速度达到76795r/min，尽管不会造成共振现象发生，但远远超过机床最大转速限值40000r/min。当主轴本身频率为第一阶段固定频率时，主轴的振动方式主要为轴向摆动，即在切削时刀具沿中轴方向上下进行摆动。
4 结语
（1）主轴转动速度为20000r/min时，对切削面造成损伤较小，但切削面粗糙程度稍差，当主转动速度达到30000r/min时，切削面粗糙程度有所降低，但是出现较多微损伤。
（2）基于切削力作用下主轴振动与刀具振动响应的仿真分析，切削过程中切削力引起刀具振动幅度较小，刀具外形变化较小，因此刀具变形造成的损坏较小。
（3）由于在切削过程中主轴对刀具工件加工过程中存在诸如微孔、微裂纹等缺陷，因此，刀具振动加剧缺陷部分更为严重，甚至出现纤维和基质层损坏等现象。
（4）为有效提升刀具加工质量应从两个方面入手，一是减少主轴本身振动幅度，二是提高刀具綜合使用性能，主轴能够降低刀具在切削时所造成的损坏程度。
参考文献
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[9]宋育红.玻纤复合材料桨叶试件多轴数控加工研究[J].粘接，2020，44（12）：109-112.