芳綸纖維復合材料切削性能與刀具選用

石文天，聶爾杰，張加波，劉玉德，劉漢良

（1.北京工商大學材料與機械工程學院，北京100048；2.北京衛星制造廠，北京100081）

0 前言

芳綸纖維具有低密度、高強度、高模量、抗沖擊、耐高溫、耐酸堿等特性，以芳綸纖維為增強材料制成的芳綸纖維增強復合材料具備一系列優良的物理、力學及介電性能。與碳纖維增強復合材料相比，芳綸纖維復合材料具有更高的比強度，優良的抗沖擊性能、抗疲勞性能、振動阻尼性能、電磁波透過性能、絕緣性能和隔熱性能，廣泛應用于航空航天、武器裝備、車輛船舶、體育器械等諸多領域，如固體火箭發動機殼體、飛機翼盒壁板與蒙皮、衛星天線、雷達天線[1]、裝甲車輛防護[2]、防彈頭盔[3]等。芳綸纖維增強復合材料應用于航天器產品中的天線結構、太陽翼基板和隔熱結構中，對衛星的結構輕量化、小型化、高性能化起到了至關重要的作用。

以芳綸纖維為增強相的復合材料屬典型的難加工材料，其各向異性、不均勻、不連續的復合結構特點決定了其切削性能異于勻質的金屬材料，迫切需要展開一系列的工藝試驗進行切削性能的研究和切削刀具的選用。本文將針對該復合材料的結構特點，通過切削工藝試驗論證其切削加工性能，并就刀具材料的選用、結構形式、幾何參數提出具體要求。

1 實驗部分

1.1 主要原料

芳綸纖維增強復合材料、板料及纏繞管料，北京衛星制造廠。

1.2 主要設備及儀器

德瑪吉鉆銑加工中心，MILLTAP 700，德瑪吉森精機中國有限公司；

車削加工中心，CK7516，寶雞機床有限公司；

體視顯微鏡，MC006-PXS-1020，上海研潤光機科技有限公司；

超景深三維顯微系統，VHX-600E，日本基恩士公司；

表面輪廓儀，Talysurfi120，英國Taylor Hobson公司；

人字刃螺旋銑刀，自制；

芳綸纖維復合材料專用鉆頭，自制；

1.3 樣品制備

人字刃螺旋銑刀制備詳見文獻[4]；

芳綸纖維復合材料專用鉆頭采用中間空心的鉆頭結構，如圖1所示；由于芳綸纖維具有拉伸強度大、剪切強度低的特點，鉆削中要盡量采用刀刃剪切，減少刀具拉伸作用的切削方式；該結構可有效避免鉆尖切削速度過低，對復合材料施加的軸向力較大的不利影響，利用刀具外圓鋒利的切削刃在較高切削速度下快速剪切纖維，從而達到鉆削效果。

圖1 芳綸纖維復合材料切削用中空鉆頭Fig.1 Hollow drilling tools of aram id fiber composites

2 結果與討論

2.1 芳綸纖維復合材料結構特點

芳綸纖維增強復合材料具有高的比強度和比剛度，其抗疲勞性能好，具有斷裂安全性好、高溫性能好、減震能力強等優點；芳綸纖維復合材料是通過界面與韌性基體黏結的層合結構，具有如下結構特點：

（1）各向異性

通過鋪層設計制成的復合材料疊層結構，可能出現各種形式和各種程度的各向異性。一般說來，纖維/樹脂鋪層呈現正交各向異性的特性。

（2）不均勻性和不連續性

復合材料的單向層片是由纖維和基體組成的，其在微觀構造上是不均勻的。疊層復合材料除了層片內部存在著這種不均勻性外，由于鋪層材料和鋪層方向的不同，沿厚度方向又增加了一重不均勻性。材料的不均勻性使微觀的應力和應變不均勻，材料有可能在應力最大或強度最低、最薄弱的局部發生破壞。

（3）層間剪切模量較低，層間剪切和拉伸強度更低

纖維復合材料層合板的各鋪層之間是通過基體的黏結而形成一個整體的。由于基體樹脂的黏結強度比纖維的拉伸強度低很多，所以復合材料層合板的層間剪切模量、層間剪切和拉伸強度很低。

2.2 芳綸纖維復合材料的切削加工性能

由芳綸纖維復合材料的性能特點，結合切削工藝試驗，其切削加工呈現如下特點：

（1）切削力大

芳綸纖維具有強度高、韌性好的特點，纖維不容易被剪切或拉斷，致使切削加工芳綸纖維增強復合材料的過程中切削力較大；相比勻質材料，芳綸纖維復合材料切削力波動較大。這是因為芳綸纖維作為復合材料的增強相，其強度是鋼絲的5～6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼絲的2倍，而質量僅為鋼絲的1/5左右。Kevlar纖維與其他纖維材料的性能對比如表1所示。

（2）切削熱不易散發

芳綸纖維復合材料具有較強的吸濕性，為保證材料的綜合性能，加工過程中盡量不使用冷卻液，從而使得切削熱不易散發，給切削加工帶來困難；銑削工藝試驗中，如圖2所示即為銑刀散熱不及時，局部熱量積聚造成刀具燒傷的現象。

（3）切削刀具磨損劇烈

芳綸纖維復合材料的熱導率很小，切削過程產生的切削熱主要通過刀具排出，為避免材料吸濕性，一般不采用切削液散熱，極易造成刀具燒傷的情況；刀具要承受較高的切削溫度，高溫會造成刀具硬度降低，切削效能下降；此外切削刀具與芳綸纖維劇烈摩擦，由于芳綸纖維拉伸強度極高、韌性好，會使刀具切削過程磨損加劇，嚴重影響刀具的壽命；如圖3所示即為銑刀磨損的照片。

表1 Kevlar纖維與其他纖維材料性能的比較Tab.1 Comparison of performance of aram id fibers and others

圖2 芳綸纖維復合材料切削用銑刀燒傷照片Fig.2 The burned milling tools of aram id fiber composites

圖3 芳綸纖維復合材料銑刀磨損照片Fig.3 The worn milling tools of aram id fiber composites

（4）樹脂基材料影響切削加工性能

相對于芳綸纖維，樹脂基材料作為粘接劑存在，其熔點較低，當切削溫度過高時，樹脂基材料會熔化，從而影響復合材料的整體使用性能，同時熔化的樹脂材料粘接在刀具上，使刀具切削角度發生變化，切削性能下降，嚴重影響材料的切削加工效能；由于樹脂和芳綸纖維之間的硬度相差很大，刀具切削中不斷經歷軟硬交替的切削對象，所受載荷交替變化，造成刀具所受拉應力和壓應力突變，形成切削過程中刀具和工件接觸區的接觸疲勞，影響刀具切削效能。如圖4所示即為切削速度較高時，樹脂熔融與纖維粘接形成的卷曲狀切屑。

圖4 芳綸纖維復合材料樹脂與纖維粘接的切屑Fig.4 The cutting chipresin and fiber bonded together

（5）加工缺陷多，質量難以保證

芳綸纖維復合材料具備各向異性，縱向強度高，層間結合強度較差，加工過程中易產生分層、翻邊、抽絲、拉毛、燒焦等現象，如圖5所示，難以獲得較好的加工質量。切削工藝試驗中的具體加工缺陷在文獻[4]中有詳細論述。

圖5 芳綸纖維復合材料加工缺陷Fig.5 Defectsin cutting aram id fiber composites

2.3 切削刀具材料的選用

通過上述對芳綸纖維復合材料切削性能的分析，得知其加工難點在于芳綸纖維的高韌性，為便于快速切斷纖維，切削刀具必須具有較為鋒利的切削刃，此外還要求刀具有較好的耐磨性和硬度，能保持高溫下的切削能力，具備好的表面質量和較長的使用壽命。

切削工藝試驗中曾選用高速工具鋼材料作為切削刀具，但由于該刀具硬度較低，耐熱性和耐磨性較差，很快出現燒傷和磨鈍現象，幾乎無法正常使用。芳綸纖維復合材料的切削刀具材料優先選用硬質合金和金剛石材料。K類硬質合金導熱性能較好，熱導率是P、M類硬質合金的2～2.5倍，刀具切削壽命長，切削加工效率較高。金剛石刀具材料具有硬度高、耐磨性好、導熱性好等優點，能夠加工高硬脆性、高強韌性材料在內的幾乎所有難加工材料[5]。由于金剛石刀具[6]的制造難度大及切削加工成本問題，可采用金剛石涂層的硬質合金刀具。

相關研究表明，金剛石涂層鉆頭與未涂鉆頭相比，壽命可以提高10倍。較薄的涂層可能導致切削刃崩刃，而更厚的涂層需要增加額外的成本，性價比較差，采用厚度為12μm金剛石涂層可以獲得最好的耐磨性和最佳切削性能。

2.4 切削刀具的結構形式和幾何參數

（1）車削刀具

在加工芳綸纖維復合材料時，必須具備鋒利的刃口，即具有較大前角和后角，但楔角還應保持在適當角度，如楔角太小，會使刀具強度削弱，易折斷，同時影響刀具的散熱。筆者前期對芳綸纖維的切削工藝試驗表明，車刀前角在10°～20°內選取，以15°為宜，后角在20°左右。同時宜采用負刃傾角以避免分層、拉毛現象。

（2）銑削刀具

芳綸纖維復合材料的銑削加工難度較大，其切削方式與走刀路徑更加復雜，特別是在銑削異形輪廓時，極易出現材料的分層和翻邊等現象。目前刀具廠商提供的部分復合材料加工刀具，如圖6所示，但這些刀具多為加工玻璃纖維與碳纖維加工的專用刀具，針對Kevlar材料銑削加工的專用刀具很少，需要經過專門的設計，并進行銑削加工工藝試驗的驗證和篩選。

圖6 各種復合材料加工專用刀具Fig.6 The special tools of cutting composites

（3）鉆削刀具

由于芳綸纖維層間的結合強度較低，傳統鉆頭在鉆削過程中極易出現入口的翻邊與撕裂現象，手持鉆鉸刀具由于加工時軸向力較小，可降低復合材料的分層與拉毛現象[7]。采用如圖1所示的中空鉆頭，切削芳綸纖維復合材料薄板時的效果明顯，可有效避免出現分層和拉毛缺陷；若材料厚度較大，會造成鉆頭排屑不暢，刀尖磨損劇烈等問題，故該刀具應用受到一定程度的限制。

3 結論

（1）芳綸纖維復合材料的加工特點為切削力大、切削熱不易散發、切削刀具磨損劇烈、樹脂基材料影響切削性能、加工缺陷多，質量不穩定等；

（2）針對芳綸纖維復合材料的加工特點，提出了切削刀具材料選用的原則，并從車削、銑削、鉆削三方面分析了刀具的結構形式和幾何參數。

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