Optimization of Milling Tool Geometry for CFRP/Nomex Honeycomb Sandwich Structures Based on Side-Milling Experiments

在现代制造业领域，轻量化强度需求与材料加工难度之间存在着持久的张力。工程师们经常转向使用夹层结构，这种结构将薄而坚韧的外壳与轻质的蜂窝状芯材结合在一起。这些材料对于航空航天和新能源等行业至关重要，因为在这些领域，减轻重量对于提升效率和性能至关重要。然而，正是这些让此类结构具有极高价值的特性——即刚性碳纤维层与脆弱、纸质感蜂窝单元的混合——使得它们极难切割。当机床工具试图切入这种不均匀的混合物时，往往会撕裂脆弱的芯材，或留下参差不齐、未完成的边缘。挑战在于寻找一种能够在这复杂的景观中穿行，且既不会损坏工件，也不会过快磨损的工具。

山东大学的研究人员致力于解决这一特定难题，他们通过对一块由碳纤维增强聚合物和诺梅克斯（Nomex）蜂窝芯材组成的面板进行测试，对比了两种不同的切削工具。他们并未依赖计算机模拟或理论推测，而是进行了一系列真实的铣削实验，在不同的切削速度和进给率下对材料进行切割。通过测量工具施加的力、切割过程中产生的热量、成品表面质量以及工具本身的磨损量，他们旨在确定哪种刀具几何形状能提供最佳的性能平衡。该研究重点关注了两种特定类型的铣刀，两者直径均为六毫米，但具有截然不同的形状和切削刃数量。其中一种被指定为 T1 的工具具有用于破碎碎屑的梯形槽，而另一种 T2 工具则具有新月形槽和更多的切削刃。

实验结果表明，切削力的行为与蜂窝结构本身有着密切的关系。随着工具移动，它所遇到的力量呈现出一种与蜂窝芯材六角形单元相匹配的律动式上升与下降。当工具撞击三个胞壁交汇的点时，力达到峰值，从而产生瞬间的阻力峰值。当工具到达这些交汇处时，它通常必须同时切断两层材料，因此需要更高的功率。然而，研究人员观察到，当工具接近这些交汇点时，脆弱的胞壁有时会弯曲或退缩，而不是被干净利落地剪断。这种结构的退缩意味着工具不需要推力过大，导致力下降，但也留下了细小的、未切断的蜂窝壁碎片，从而破坏了表面。

在对比两种工具时，结果显示，具有新月形槽和更多切削刃的 T2 工具具有明显优势，尤其是在较低的切削速度下。该工具产生的切削更加平滑，力波动也较小，这可能是因为其额外的切削刃使其能够更连续地作用于材料。在较低速度下，T2 在各个方向上产生的平均力都更低，并保持了更稳定的切削过程。然而，随着切削速度的增加，两种工具之间的性能差距缩小，它们的平均力变得几乎相同。有趣的是，虽然 T2 在管理力方面表现更好，但另一种工具 T1 在管理热量方面却更为出色。T1 使切削区更加凉爽且稳定，这表明它能更有效地散热，这对于防止复合材料中的树脂软化并造成损伤至关重要。

尽管 T1 在温度控制方面具有优势，但整体情况更倾向于 T2 工具。实验后的显微镜检查显示，T1 受到了显著损伤，包括边缘崩刃以及大量粘附在切削表面的碳纤维碎屑。相比之下，T2 仅表现出轻微磨损，且几乎没有材料粘附。T2 生产的表面质量也普遍更好，暴露的纤维更少，蜂窝壁也更规则，尽管在某些特定条件下 T1 的表现略好。研究结论认为，具有特定几何形状的 T2 工具为铣削这些复杂的夹层结构提供了最佳的综合性能。它提供了更稳定的切削过程并留下了更洁净的表面，使其成为制造这些高科技材料的首选。这些发现为工程师选择工具提供了实用的指南，证实了切削刃的形状和数量在决定这些困难材料加工质量方面起着决定性作用。