碳纖維增強復合材料銑削加工刀具磨損研究

周井文，戚菊芳，胡攀輝，楊葉，陳燕

(1. 上海航天精密機械研究所，上海 201600; 2. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

碳纖維增強樹脂基復合材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)作為先進復合材料中應用較早、應用范圍較廣的復合材料之一，因其具有高比強度、高模量、高抗沖擊性等一系列優點[1-2]，目前已經廣泛應用于諸如飛機機翼[3]、運載火箭艙段、整流器內罩、航天器艙體、衛星平臺等航空航天領域主要結構件中[4]。

然而作為典型的各向異性和非均勻性材料，CFRP在機械加工過程中極易產生分層、表層撕裂、毛刺、崩邊、燒傷等缺陷，而切削刀具在加工過程中扮演著非常重要的角色。近年來國內外學者對于CFRP加工刀具開展了諸多研究。Azmi A[5]等人研究了纖維增強復合材料切削加工中刀具磨損機理和刀具磨損形式，認為刀具的鋒利程度能夠顯著影響加工分層缺陷的產生。Faraz A[6]等人并沒有沿用傳統的前/后刀面磨鈍標準，提出了切削刃刃口半徑模型(CER)，認為刃口半徑是影響加工切削力和分層缺陷的主要因素。Hintze W[7]等人對CFRP進行銑槽加工同樣得到了類似的結論，采用較大刃口半徑的刀具會顯著增加加工表層毛刺、分層等缺陷。Rahman M[8]采用-10 ℃冷卻空氣和常溫冷卻進行對比分析，發現在-10 ℃冷卻空氣下加工刀具耐用度和加工質量得到改善。由于CFRP材料中碳纖維增強相的高耐磨性，導致高速鋼刀具在加工過程中極易磨損，刀具壽命僅為0.3 m[9]左右。Arul S[10]、De Lacalle L N L[11]等人也發現盡管TiN、TiAlN等常見CVD涂層能夠提高刀具壽命和加工質量，但是仍然不夠理想。相比較而言，金剛石涂層刀具能夠顯著提高刀具壽命長達10倍之多[12]，而采用納米級超細晶粒金剛石涂層的刀具其壽命甚至與PCD刀具相當[13]。由于PCD刀具難以刃磨出復雜多變的結構，加之價格昂貴，在目前纖維增強復合材料加工中僅占比3%左右[12]。目前而言，金剛石涂層刀具無疑是加工CFRP等纖維增強復合材料的最佳選擇。

本文主要開展了疊層CFRP的側銑試驗，分析了刀具磨損對切削力和切削溫度的影響規律，以及金剛石涂層硬質合金銑刀的崩刃、涂層剝落、磨粒磨損等磨損形式，討論了CFRP加工刀具磨損機理，為降低刀具磨損和提高加工表面質量提供參考。

1 試驗及方法

試驗在DMG HSC 200 linear超聲輔助五軸精密加工中心上進行(如圖1(a)所示)，機床最大轉速42 000 r/min，功率14 kW，工件裝夾及加工示意圖如圖1(b)所示。采用Kistler 9265B三向壓電式測力系統(包括Kistler 5019A電荷放大器及Kistler Dynoware數據采集系統)對銑削力進行測量，并采用Fluke Tix520對銑削區域溫度進行測量。

試驗用刀具為金剛石涂層硬質合金立銑刀(如圖2所示)，齒數為12排，螺旋角為13.6°。底部切削刃為2刃，主偏角為90°，負偏角為15°。試驗用CFRP層壓板為國內某航空制造企業提供，具體規格參數見表1。

圖1 CFRP銑削試驗

圖2 試驗用金剛石涂層立銑刀

加工條件及參數層面，分別采用順銑加工，具體加工參數見表2，加工完成后采用KH-7700三維視頻顯微鏡和掃描電鏡對加工表面進行觀察。

表1 疊層CFRP層合板規格和參數

表2 疊層CFRP銑削加工參數

2 結果與討論

2.1 切削力與切削溫度

圖3所示為切削力和切削溫度隨切削時間的變化趨勢圖，可以發現隨著切削時間的增加，主切削力Fx不斷增大，從67.6N增大至131.7N，而切削力Fy卻不斷減小，從15.3N減少至4.2N。而切削溫度也從初始的178.3℃不斷增加至285.6℃，具體如圖4所示。然而紅外熱像儀并不能準確測量切削弧區的實際溫度，其測量值為切削刃離開切削區域時的溫度，所示測量值將低于實際值。根據Rawat S[14]等人的有限元仿真和驗證結果表明，切削弧區的實際溫度至少要高于測量值的150℃，這意味著切削弧區的在初始切削階段溫度至少為328.3℃，在t=30min時弧區的溫度至少高達425.6℃。而環氧樹脂在300℃左右即達到玻璃化轉變溫度，并開始不斷分解，盡管刀具與材料之間的接觸非常短暫，但是環氧樹脂本身屬于熱的不良導體，切削熱非常容易富集于加工表面，導致環氧樹脂的分解。同時在實際加工過程中能夠不斷聞到刺鼻的氣味也驗證了環氧樹脂的分解過程。

圖3 切削力與切削溫度隨切削時間變化趨勢

以上現象均說明隨著刀具的不斷磨損，刀具與工件材料之間的作用也不斷加劇，這直接導致了切削熱不斷增多，并達到了環氧樹脂基體的玻璃化轉變甚至分解溫度。軟化的樹脂基體嚴重降低了對碳纖維的把持力，導致碳纖維極易集束發生彎曲變形，而不是發生剪切斷裂。碳纖維的集束作用必然顯著提高了材料的切削抗力，導致主切削力Fx的不斷增加，然而由于軟化的樹脂基體在刀具后刀面的擠壓作用下發生流動，這反而降低了刀具后刀面與工件材料的摩擦系數，導致了切削力Fy的不斷降低。這一現象同樣可以在圖5所示的加工表面微觀形貌得到印證，可以發現隨著刀具的不斷磨損，45°鋪層方向的樹脂基體更加難以把持住碳纖維，導致了碳纖維大量發生集束斷裂，其斷裂根部深度要遠低于切削表面。而對于90°和135°鋪層方向，由于這兩個鋪層方向本身碳纖維受到垂直于加工表面的切削分力，導致刀具后刀面與加工表面存在較大的摩擦力，切削溫度的不斷提高反而加大了樹脂基體的流動性，使得原本破碎的樹脂基體重新在刀具后刀面的擠壓下涂敷于加工表面。

圖4 切削溫度變化

圖5 加工表面形貌

2.2 刀具磨損

圖6為刀尖處磨損形貌，可以發現在后刀面靠近刀尖處涂層已經磨穿，并出現了明顯的過渡界面，同時在過渡界面出現了非常多的微裂紋。分析認為這是由于CFRP在切削過程中切屑為破碎的碳纖維和樹脂顆粒的混合粉末，在刀具后刀面持續切入切出過程中不斷發生磨粒磨損，磨耗金剛石涂層，導致靠近刃口處涂層不斷減薄，最終磨穿。另外CFRP本身屬于各向異性和非均勻性材料，碳纖維本身又屬于高脆性材料，切削刃在切削過程中受到不斷沖擊作用，而刀尖處屬于較薄弱區域，局部剛度并不如整體切削刃，極易發生微變形。由于硬質合金基體與金剛石涂層其應變速率并不一致，導致在兩相接合面處應力較大，形成裂紋源并不斷擴展。另外結合上文關于切削溫度的討論，可以在接近500 ℃的溫度波動下硬質合金基體與金剛石涂層的熱膨脹系數并不一致，導致在涂層界面存在較大的熱應力，這也進一步導致了裂紋的形成。

圖7所示為刀尖處的另外兩種失效形式，可以發現圖7(a)所示為刀尖處局部應力過大而出現的整體斷裂，圖7(b)所示為刀尖處前刀面涂層整體發生的剝落現象，其形成原因均可以認為是由于局部沖擊而造成的，這一原因同樣可以解釋刀具刃口處出現的微崩刃現象(如圖8所示)。

圖6 刀尖處后刀面涂層磨損與微裂紋

圖7 刀尖失效形式

圖9(a)和圖9(b)所示為后刀面磨損形式，可以發現初始后刀面磨損形式同樣為高耐磨性的破碎的碳纖維高頻沖擊和磨損造成的涂層磨穿，并且其磨損區域擴散方向為從刃口處不斷向內部延伸。當涂層磨損區域不斷增大時，可以發現涂層整體出現了剝落現象，涂層的失效形式不再是磨粒磨損，而是切削過程中工件與刀具的不斷沖擊造成的涂層剝落，此時刀具進入快速磨損階段，硬質合金基體不斷暴露。由于硬質合金基體的Co結合劑其顯微硬度僅僅為410～1 225 Hv(純Co為200 Hv)，而CFRP材料的硬度為80 Barcol，環氧樹脂的硬度為73 Hv，以65%纖維含量計算，碳纖維的顯微硬度至少為648 Hv，這意味著Co晶粒極易從硬質合金基體剝離，從而導致WC晶粒不斷脫落。另外需要值得一提的是，如圖9(c)所示，刀具前刀面磨損與后刀面相比較少，在后刀面出現大量涂層剝落的情況下仍然保持較好，這與常見的金屬切削磨損形式相差巨大，說明在切削過程中刀具前刀面并未承受較大的作用力和沖擊作用，切屑非常容易從刀具前刀面排出。

圖8 刃口處微崩刃

圖9 刀面磨損形式

綜上可以認為CFRP銑削加工主要刀具磨損形式為破碎的碳纖維顆粒和樹脂基體對刀具持續不斷的磨損和沖擊作用而形成的磨粒磨損。在初始切削階段，刀具刃口和刀尖處因局部沖擊作用可能發生刃口微崩刃和刀尖崩刃，后續在CFRP材料增強相的不斷磨耗作用下后刀面突出的金剛石晶粒不斷從涂層表面分離，涂層表面不斷磨損，直至磨穿。同時在沖擊作用造成的機械應力和熱變形造成的熱應力作用下涂層與基體界面不斷出現裂紋，裂紋的不斷擴展和深入導致了涂層在后期出現大面積剝落，導致硬質合金基體暴露，此時刀具進入迅速磨損階段。

3 結語

1) CFRP銑削加工法向切削力和切削溫度隨著刀具磨損的加劇而逐漸增大，切向切削力隨著刀具磨損的加劇而逐漸減小；

2) 隨著切削溫度的升高，樹脂基體的流動性增加，降低了樹脂基體對碳纖維的把持力，同時90°和135°鋪層方向樹脂涂覆現象加劇；

3) 金剛石涂層刀具的主要磨損形式為破碎的碳纖維顆粒和樹脂基體對刀具持續不斷的磨損和沖擊作用而形成的磨粒磨損。主要為刃口和刀尖的微崩刃、后刀面涂層磨耗和涂層裂紋擴展導致的涂層剝落。