銑削玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板實驗研究* ＊

于東民 劉菊東 葉銜真 楊小璠 晉家偉

(①集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門361021;②集美大學工程訓練中心，福建 廈門361021)

碳纖維蜂窩板是一種特殊的高強輕質復合材料。由較薄的碳纖維復合材料為上、下面板，厚而輕的蜂窩結構為芯子，組成夾層結構，具有比強度高、比剛度高、隔熱隔振、耐沖擊等優點，是現代衛星、飛行器結構的主要承力結構［1-2］，目前已擴展到列車、船舶、建筑裝修等各領域，但由于碳纖維具有一定的導電性，故常在碳纖維上鋪一層絕緣的玻璃纖維。現階段蜂窩板的研究已成為一個熱點問題，但對于碳纖維蜂窩板的切削加工卻研究甚少。碳纖維和玻璃纖維復合材料均屬于難加工材料，切削加工過程中容易產生分層、撕裂、毛刺、拉絲等缺陷，且刀具磨損嚴重［3-5］;蜂窩芯為薄壁結構，切斷性能差，加工過程中易坍塌破損［6］。因此，對于碳纖維蜂窩板的切削加工問題亟待研究。本文以銑削玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板試驗為基礎，研究了3 種不同刀具和不同銑削寬度對刀具磨損和工件加工質量的影響，并選出適合加工玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板的刀具。

1 試驗條件與方法

試驗材料采用玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板，尺寸為:320 mm ×320 mm ×7.5 mm(長×寬×高)。其面板為玻璃纖維/碳纖維層壓板，板厚1.1 mm，共5層，最外層為網狀玻璃纖維，另4 層為TR50 碳纖維，鋪層方向分別為90°/0°/90°/0°，中間夾層是正六邊形的芳綸紙蜂窩。試驗刀具采用硬質合金銑刀、人字形CVD(chemical vapor deposition，化學氣相沉積法)金剛石薄膜涂層銑刀和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀，如圖1 所示;刀具詳細參數見表1。

銑削試驗在TJ -700 型數控銑床上進行，側邊銑玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板，銑削條件:主軸轉速n=6 500 r/min，工件進給速度vf=200 mm/min，銑削寬度ae分別為1、2、3、4 mm，采取順逆組合方式，往復銑削4 m。每組銑削完，觀察試件加工質量，用數碼相機記錄切削情況，用keyence VK-X100 超景深三維顯微鏡觀察刀具后刀面磨損形貌并測量磨損量VB 值。為了保證實驗結果的準確性，選擇多刃磨損量的平均值作為VB 值。

表1 試驗刀具參數

2 試驗結果與分析

2.1 刀具磨損

圖2 為銑削試驗中3 種不同刀具隨銑削寬度變化的后刀面磨損曲線圖。如圖所示:3 種刀具的后刀面磨損量VB 都隨著銑削寬度的增加而增大。其中，硬質合金銑刀后刀面磨損量VB 最大，人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀的磨損量則相對較小，且磨損量相近，從整體來看人字形涂層銑刀磨損量略小。

圖3 為3 種刀具在n =6 500 r/min，vf=200 mm/min，ae=3 mm 條件下銑削的后刀面磨損形貌，3 組圖片都是在keyence VK -X100 超景深三維顯微鏡下拍攝。對比發現:硬質合金銑刀后刀面的磨損區域大(VB=74 μm)，刀刃磨損嚴重，刀刃邊界發暗發虛，刀刃鈍圓變大;人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀后刀面磨損區域相對較小(VB 分別為47、49 μm)，刀刃邊緣處金剛石涂層被磨穿，露出銀白色基體，在基體與未磨金剛石涂層間有一狹長過渡區，金剛石涂層并未脫落，被磨得更為光滑，刀刃邊界也較硬質合金銑刀更為清晰，磨損程度小。

造成以上實驗現象的主要原因是:(1)在銑削寬度小于刀具半徑時，隨著銑削寬度的增加，最大銑削厚度隨之增加，切削層的平均切削面積相應增大，單位時間內刀具的磨粒磨損更加嚴重，從而導致刀具磨損也隨之增加。(2)作為面板的玻璃纖維/碳纖維層壓板是一種多相固體材料，硬度高，導熱性差。切削過程中，脆硬的碳纖維發生彈性恢復，摩擦、擠壓后刀面，并在高溫條件下不斷對后刀面進行“微切削”，導致硬質合金銑刀磨損嚴重。而CVD 金剛石薄膜涂層刀具通過化學氣相法在硬質合金基體上沉積了一層金剛石薄膜，該涂層具有硬度高(高達HV8000)、耐磨、摩擦系數小、導熱性強等特點，進而大大提高了刀具的硬度和耐磨性，減小了加工過程中的摩擦力和切削熱，從而減小刀具磨損。即便部分涂層脫落，后刀面涂層仍起到支撐作用，減緩刀刃磨損，故而涂層刀具的后刀面磨損量要遠小于硬質合金刀具。(3)由表1 刀具幾何參數可知，人字形涂層銑刀的前角和螺旋角均略大于菱齒涂層銑刀，較大的螺旋角可增大實際前角，而適當地增大前角可以減小切削力、切削熱和功率，在一定程度上減緩硬質點的磨粒磨損，使得人字形CVD 金剛石薄膜涂層銑刀的后刀面磨損量要略小于菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀。

2.2 刀具對加工質量的影響

2.2.1 面板加工質量

圖4、5、6 分別為3 種刀具在n =6 500 r/min，vf=200 mm/min，ae=2 mm 條件下銑削的蜂窩板形貌。觀察發現:圖4 上面板最外層有大量長而密的玻璃纖維向上揚起，形成不規則毛刺，平均長度約7.1 mm，下面板上側也有一簇簇密集的黑色碳纖維毛刺;圖5 上、下面板最外層的玻璃纖維毛刺均短而稀疏，平均長度約1.8 mm，同時，下面板上側有少許黑色短碳纖維毛刺;圖6 上、下面板的碳纖維毛刺幾乎沒有，而下面板下側的玻璃纖維毛刺要長于上面板上側，但毛刺的長度和密集度都明顯較小，平均長度約2.7 mm。因此，在銑削玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板試驗中，3 種刀具的加工質量相差甚大，硬質合金銑刀的切削效果最差，蜂窩板上的玻璃纖維和碳纖維毛刺長而密;人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀的切削效果較好，玻璃纖維和碳纖維的切斷率高，前者玻璃纖維的切削效果最好，后者碳纖維的切削效果最佳。

2.2.2 芳綸紙蜂窩芯加工質量

對比觀察圖4、5、6 發現:硬質合金銑刀銑削蜂窩板時，芳綸紙蜂窩芯條并未切斷，而是被刀刃擠向板內側，芯條普遍較長;人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀銑削蜂窩板時，芯條仍未完全切斷，但芯條卻相對變短，尤其是圖6 中的芳綸紙蜂窩芯條，短而整齊。由此可見，3 種刀具均未能在n =6 500 r/min，vf=200 mm/min，ae=2 mm 的條件下將芯條完全切斷，但菱齒CVD 金剛石涂層銑刀在三者中切削效果最好，芯條長度最短，蜂窩結構也未被破壞。

2.2.3 刀具對加工質量影響的分析

碳纖維和玻璃纖維復合材料均屬于難加工材料，在機械加工過程中易產生抽絲、毛刺、撕裂、分層等等缺陷，纖維切斷性差，而芳綸紙蜂窩芯為薄壁結構，屬于柔性高分子材料，低剛度、韌性強，當受切削力作用時芯條會產生彎曲，使得無法從根部有效切斷［7］。因此，加工該種材料時，刀具的鋒利性是關鍵影響因素之一。

刀具鋒利性受刀具幾何角度、安裝與運動以及實際加工過程、刀具磨損等因素的影響［8］。由表1 所示的刀具幾何參數可知，人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀的前角均大于硬質合金銑刀，刀具更加鋒利。此外，隨著加工的進行，刀具磨損嚴重，切削刃鈍圓半徑不斷增大，刀刃也將隨之變鈍。由于硬質合金銑刀的磨損速度要遠遠大于兩涂層刀具，故而其變鈍速度也要遠遠大于兩涂層銑刀。因此，從刀具鋒利角度看，硬質合金銑刀的切削效果最差，玻璃纖維和碳纖維毛刺長而密，蜂窩芯芯條也較長，而人字形和菱齒CVD金剛石薄膜涂層銑刀的切削效果較好，玻璃纖維、碳纖維和蜂窩芯芯條的切斷率高，其中，菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀前角最大，且為不連續的菱齒刃，在高速銑削中，更易將較質軟的薄壁結構切碎，故而對蜂窩結構切削效果最好。

另一方面，刃形是該試驗毛刺的關鍵影響因素之一。硬質合金銑刀為右螺旋銑刀，在銑削過程中，受力如圖7a 所示，上、下面板的上側纖維在力F 作用下向上拔起，使得最外側纖維被拉出而不是剪斷，形成拉絲、毛刺，且切屑沿著容屑槽向柄部排出，在未切斷玻璃纖維表面堆積，導致面板上表面加工質量差。人字形CVD 金剛石薄膜涂層銑刀銑削時，上、下面板最外側的玻璃纖維均受到指向板內側的力F1、F2，如圖7b所示，避免了最外側纖維被拉出，但下面板上側的碳纖維仍受到斜向上的力F2，故該面板上側有少量碳纖維毛刺形成。菱齒CVD 金剛石涂層銑刀為不連續刃銑刀，相鄰兩齒的最大間距為2.6 mm，銑削加工時，厚1.1 mm 的面板可位于相鄰的兩齒間，使得面板的上、下側均受到指向內側的銑削力，如圖7c 所示，面板的玻璃纖維和碳纖維均能有效切斷。但試驗中上、下面板玻璃纖維的切斷率卻出現了不同情況，根據刀具磨損痕跡分析，此時面板并未夾在相鄰兩齒間。

3 結語

(1)在其他切削參數相同的情況下，隨著銑削寬度的增加，刀具磨損都隨之增加。其中，硬質合金銑刀磨損最嚴重，磨損量遠大于金剛石涂層銑刀。

(2)在銑削玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板試驗中，硬質合金銑刀的切削效果最差，蜂窩板上有大量長而密的玻璃纖維和碳纖維毛刺，芳綸紙蜂窩芯條也未能切斷。人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀的纖維切斷率高，蜂窩芯條變短，其中，前者玻璃纖維的切削效果最好，后者碳纖維的切削效果最佳。

(3)人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀均可以用于加工玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板。

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