菠蘿銑刀切削CFRP1表面形貌研究

周 進(jìn) ，袁信滿 ，鄢旭東

(1.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092；2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)，是以環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，細(xì)絲狀結(jié)構(gòu)的碳纖維為增強(qiáng)材料，加工成為預(yù)浸料，再經(jīng)過(guò)賦型和固化而形成的一種新的非均質(zhì)高性能材料[1-3]。由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有重量輕、模量高、強(qiáng)度大、耐熱沖擊、耐腐蝕、耐高溫、熱膨脹系數(shù)低、吸振性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在軍事及民用工業(yè)的各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，它是發(fā)展航空航天等尖端技術(shù)必不可少的復(fù)合材料[4-6]。然而碳纖維材料固化成型后，需要進(jìn)行二次加工，銑削加工是常用的加工方式之一[7]。但是，由于CFRP的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，且層間結(jié)合強(qiáng)度較低，是典型的難加工材料，銑削過(guò)程中，如果參數(shù)選擇不合理，會(huì)導(dǎo)致切削力過(guò)高，加工過(guò)程中易形成毛刺、分層、崩邊等缺陷，并且加劇刀具的磨損[8-9]。為了揭示CFRP加工缺陷形成的原因，國(guó)內(nèi)學(xué)者已做了相關(guān)研究。Davim J P等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了加工參數(shù)對(duì)CFRP加工毛刺的影響，并得出毛刺長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)公式。Schulz V等[11]通過(guò)試驗(yàn)得出CFRP銑削缺陷與刀具刃口半徑的關(guān)系。王福吉等[12]纖維切削角、刀刃鈍圓半徑及銑刀運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)對(duì) CFRP 銑削加工表層損傷的機(jī)理的影響。周井文等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了金剛石涂層硬質(zhì)合金銑刀在銑削單向CFRP時(shí)，進(jìn)給速度和纖維方向?qū)Ρ砻嫘蚊驳难芯??？梢园l(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有CFRP形貌的研究大多是針對(duì)于加工參數(shù)對(duì)CFRP加工質(zhì)量的影響規(guī)律分析，均未涉及對(duì)刀具本身的分析。

本文以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通用菠蘿銑刀為對(duì)象，開(kāi)展了不同進(jìn)給速度及切削距離下的切削形貌試驗(yàn)，并進(jìn)行了數(shù)字化表征，基于表征結(jié)果，研究了切削缺陷產(chǎn)生的機(jī)理，分析了刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)加工質(zhì)量的影響。

1 切削表面形貌形成試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用機(jī)床為意大利產(chǎn)GTF2725-6000，搭載FIDIA C20系統(tǒng)，該機(jī)床為橋式結(jié)構(gòu)，主軸形式為電主軸，最高轉(zhuǎn)速24 000 r/min，搭配HSK63A刀柄，適用于高速加工。其中機(jī)床精度為當(dāng)月試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的機(jī)床定檢精度。表面形貌觀測(cè)設(shè)備采用VK-X1000形狀測(cè)量激光顯示系統(tǒng)、BIJIA 0500手持式數(shù)碼顯微鏡、POCKET SURF表面粗糙度測(cè)量?jī)x及Kistler9257B三向測(cè)力儀。

1.2 試驗(yàn)材料及刀具

試驗(yàn)所用材料為A350項(xiàng)目提供的兩種T700碳纖維層合板，其基本信息見(jiàn)表1。

表1 A350項(xiàng)目T700碳纖維層合板材料

試驗(yàn)所用刀具為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料最常用的銑削刀具—菠蘿銑刀，如圖1所示。該刀具在右旋切削刃上沿左旋向交錯(cuò)開(kāi)槽。銑削時(shí)，左、右螺旋切削刃同時(shí)作用于纖維層材料。本次試驗(yàn)所使用的刀具信息見(jiàn)表2。

圖1 試驗(yàn)用菠蘿銑刀

表2 試驗(yàn)所用刀具信息

1.3 試驗(yàn)方案

不同進(jìn)給速度下對(duì)菠蘿銑刀的壽命進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)菠蘿銑刀各壽命階段進(jìn)行表面形貌分析，旨在通過(guò)量化菠蘿銑刀的切削質(zhì)量、切削效率、刀具壽命，分析在該刀具銑削作用下，碳纖維表面缺陷的產(chǎn)生過(guò)程與形成機(jī)理。

試驗(yàn)分兩批，每批各4組進(jìn)行。分別試驗(yàn)菠蘿銑刀對(duì)平紋織物層合板、多向帶層合板的加工效果。同批試驗(yàn)中，不同試驗(yàn)組采用相同規(guī)格的菠蘿銑刀(參數(shù)見(jiàn)表1)，分別以不同的進(jìn)給速度銑削相同規(guī)格的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板，銑削長(zhǎng)度5600 mm(單件試驗(yàn)材料的長(zhǎng)度為800 mm)，銑削方式均為逆銑，各組試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3(試驗(yàn)所用轉(zhuǎn)速為某機(jī)型碳纖維擾流片構(gòu)件銑削加工的實(shí)際使用轉(zhuǎn)速)。

表3 菠蘿銑刀銑削試驗(yàn)參數(shù)表

試驗(yàn)過(guò)程中，使用Kistler9527B測(cè)力儀測(cè)量加工過(guò)程中的切削力，并在試驗(yàn)結(jié)束后，使用VK-X1000形狀測(cè)量激光顯示系統(tǒng)、BIJIA500手持式數(shù)碼顯微鏡、POCKET SURF表面粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)加工表面進(jìn)行形貌觀測(cè)，評(píng)價(jià)加工表面的表面粗糙度及表層纖維缺陷情況(撕裂、毛刺、分層)。為客觀反映刀具磨損與加工表面形貌變化趨勢(shì)，銑削長(zhǎng)度每800 mm進(jìn)行一次觀測(cè)，圖2為試驗(yàn)加工現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

2 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

2.1 平紋織物層合板試驗(yàn)結(jié)果

銑削試驗(yàn)后，對(duì)兩類(lèi)碳纖維層合板的表面形貌進(jìn)行了觀測(cè)。對(duì)于平紋織物層合板來(lái)說(shuō)表層纖維毛刺隨著刀具切削距離的增長(zhǎng)而加劇。圖3為進(jìn)給速度為400 mm/min，不同切削距離L時(shí)表層纖維毛刺長(zhǎng)度情況。可以看出，刀具使用初期，碳纖維已加工邊緣的毛刺概率較低，4 mm的視野長(zhǎng)度范圍內(nèi)僅出現(xiàn)一處明顯毛刺，毛刺長(zhǎng)度0.265 mm。隨著銑削距離的增長(zhǎng)，毛刺概率顯著提高，且出現(xiàn)了連續(xù)毛邊的情況，毛刺的最大長(zhǎng)度也提高到0.678 mm，呈現(xiàn)出肉眼明顯可見(jiàn)的缺陷，圖4統(tǒng)計(jì)了各進(jìn)給速度下不同切削距離的毛刺情況。

(a) L=800 mm毛刺情況 (b) L=2400 mm毛刺情況

(c) L=4000 mm毛刺情況 (d) L=5600 mm時(shí)毛刺情況圖3 F400情況下，不同切削距離形成的表面缺陷

圖4 各進(jìn)給速度下，不同切削距離的毛刺長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表

平紋織物層合板表層纖維毛刺情況隨著進(jìn)給速度的提升而加劇。對(duì)比不同組別刀具在相同切削距離時(shí)的毛刺情況，結(jié)果如圖5所示。從圖中結(jié)果可知，當(dāng)進(jìn)給速度為400時(shí)，切削距離4000 mm時(shí)的毛刺長(zhǎng)度為0.442 mm，而隨著進(jìn)給速度的提高，相同切削距離下，毛刺的長(zhǎng)度也顯著變長(zhǎng)，當(dāng)F=3000時(shí)，切削距離4000 mm處的毛刺已經(jīng)達(dá)到了1.016 mm的長(zhǎng)度，完全不滿足碳纖維輪廓銑削的質(zhì)量要求。圖6統(tǒng)計(jì)了各切削距離下不同進(jìn)給速度所對(duì)應(yīng)的毛刺情況。

(a)F400時(shí)毛刺情況 (b)F800時(shí)毛刺情況

(c)F1500時(shí)毛刺情況 (b)F3000時(shí)毛刺情況圖5 4000 mm切削距離下，不同進(jìn)給形成的表面缺陷

圖6 各切削距離，不同進(jìn)給速度的毛刺長(zhǎng)度

2.2 多向?qū)雍习逶囼?yàn)結(jié)果

CFRP多向?qū)雍习逶诟哌M(jìn)給、長(zhǎng)切削距離的條件下，偶有分層缺陷發(fā)生。在試驗(yàn)條件為進(jìn)速度3000 mm/min，切削距離約等于5200 mm時(shí)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料出現(xiàn)局部分層(如圖7所示)，分層長(zhǎng)度約7.8 mm，分層層數(shù)為5層。其余進(jìn)給與切削距離均未發(fā)生分層現(xiàn)象，其發(fā)生有一定的偶然性。

圖7 銑削試驗(yàn)中出現(xiàn)的分層

CFRP多向?qū)雍习宓募庸け砻娲植诙入S進(jìn)給速度的提高與切削距離的增長(zhǎng)而降低。使用VK-X1000形狀測(cè)量激光顯示系統(tǒng)對(duì)加工表面進(jìn)行微觀形貌觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在低進(jìn)給、低切削距離的情況下，已加工表面平整、光滑(如圖8所示)，隨著切削距離的增長(zhǎng)與進(jìn)給速度的提高，已加工表面逐漸呈現(xiàn)出溝壑狀，且沿刀具運(yùn)動(dòng)方向延伸(如圖9所示)。使用POCKET SURF/Ra=(0.03-6.35) μm粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量各進(jìn)給參數(shù)下，不同切削距離的表面粗糙度，結(jié)果如圖10所示，可見(jiàn)，進(jìn)給速度與切削距離對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已加工表面的粗糙度有顯著影響。

圖8 F400、L1600時(shí)表面微觀形貌

圖9 F400、L5600時(shí)表面微觀形貌

另外，試驗(yàn)過(guò)程中還存在明顯的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料燒灼情況，即刀具銑削長(zhǎng)度達(dá)到5000 mm左右時(shí)(各組試驗(yàn)刀具情況略有差異)，加工過(guò)程中有青煙產(chǎn)生，加工完成后，觀察發(fā)現(xiàn)碳纖維粉末有燒結(jié)、結(jié)塊、粘連的現(xiàn)象，碳纖維已加工表面呈現(xiàn)出明顯的糊狀，表面質(zhì)量極差。

圖10 各進(jìn)給參數(shù)下，不同切削距離的表面粗糙度

在對(duì)多向帶層合板進(jìn)行上述銑削試驗(yàn)時(shí)，受層間強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)過(guò)程中，毛刺、撕裂等缺陷大量存在(圖11)，毛刺長(zhǎng)度范圍0.755 mm～5.258 mm，毛刺長(zhǎng)度與進(jìn)給速度及切削距離之間的相對(duì)關(guān)系滿足平紋織物層合板的試驗(yàn)結(jié)論。同時(shí)，已加工表面呈毛絨狀(圖12)，并形成肉眼可見(jiàn)的波紋，已無(wú)法測(cè)量表面粗糙度，完全不滿足材料加工要求。毛刺長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表如圖13所示。

(a)F1500、L4000表面毛刺情況 (b)F3000、L4000表面毛刺情況圖11 多向帶層合板銑削加工時(shí)的毛刺情況

圖12 毛絨狀加工表面SEM圖

圖13 多向帶層合板毛刺長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表

從試驗(yàn)情況來(lái)看，菠蘿銑刀加工多向帶層合板時(shí)，進(jìn)給速度超過(guò)3000 mm/min時(shí)，表層纖維損傷嚴(yán)重，毛刺大量產(chǎn)生，基體損傷、纖維絲拔出等缺陷也大量出現(xiàn)，已完全不具備工程應(yīng)用價(jià)值。綜上所述，菠蘿銑刀銑削存在的問(wèn)題如圖14所示。

圖14 菠蘿銑刀銑削存在的問(wèn)題

3 缺陷形成機(jī)理分析

試驗(yàn)中的加工表面缺陷可以分為兩類(lèi)：表層纖維缺陷與加工表面粗糙度較低。缺陷的形成原因有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料本身材料特性與菠蘿銑刀刀具結(jié)構(gòu)。

在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料材料特性方面，碳纖維絲的各向異性體現(xiàn)在延絲束方向的力學(xué)性能明細(xì)強(qiáng)于其他兩個(gè)方向?qū)用妫瑢雍习逋ㄟ^(guò)膠合不同方向的碳纖維絲束，消除了在一層之內(nèi)的碳纖維材料力學(xué)性能的方向性，使得碳纖維材料的各向異性體現(xiàn)為各層碳纖維鋪層之間的連接強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向，這就是造成碳纖維層合板出現(xiàn)表層纖維撕裂、毛刺等諸多表面缺陷的根本原因。

為了盡量克服上述碳纖維層合板的固有缺陷，諸多學(xué)者在碳纖維銑削刀具上，都希望通過(guò)改善刀具結(jié)構(gòu)，減少切削時(shí)的軸向分力，從而避免因材料層間強(qiáng)度不足引起的表面缺陷。菠蘿銑刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是基于這種原理。

菠蘿銑刀的切削刃為密集的菱形齒，如圖15所示。在銑削時(shí)，周向相鄰切削齒之間存在一定的楔形夾角，借此形成局部的剪切效應(yīng)，從而在一定程度上抵消材料受到的軸向力，實(shí)現(xiàn)碳纖維材料的高質(zhì)銑削。圖16為碳纖維束受菠蘿銑刀刀齒剪切作用示意圖。

圖15 菠蘿銑刀刀具結(jié)構(gòu)

圖16 菠蘿銑刀對(duì)碳纖維束的剪切作用

但由于碳纖維復(fù)合材料在切削過(guò)程中，被切除材料是以碳纖維粉末形式排出，而這種菠蘿銑刀的刀齒密集分布，排屑空間有限(如圖17)，因此加工過(guò)程中被切削掉的碳纖維復(fù)合材料無(wú)法及時(shí)排出。殘留在刀齒間間隙的碳纖維粉塵，導(dǎo)致加工時(shí)刀具和零件無(wú)法有效散熱；同時(shí)，伴隨著切削的進(jìn)行，刀具表面涂覆的金剛石涂層會(huì)不斷消耗、脫落，刀具磨損情況愈加嚴(yán)重。在二者共同作用下，大量而集中的熱量會(huì)增加樹(shù)脂基材料的流動(dòng)性，一方面會(huì)降低零件被切削部位的表面質(zhì)量，也會(huì)造成刀具或零件過(guò)熱損傷。

圖17 排屑槽經(jīng)初步清理后的菠蘿銑刀

菠蘿銑刀的磨損體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是刀齒齒尖磨損，二是刀齒側(cè)刃磨損(圖18)。齒尖磨損會(huì)使刀具加工碳纖維材料基體的能力變差，刀具與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之間的摩擦力增大，且由于各刀齒磨損程度不一致，會(huì)造成切削表面的波紋，從而影響切削表面的表面粗糙度；側(cè)刃磨損會(huì)使相鄰刀齒之間的楔形夾角增大(圖19)，影響菠蘿銑刀“軸向剪切”效果(圖20)，碳纖維材料表層纖維受到的軸向力增大，最終超過(guò)材料的層間強(qiáng)度，導(dǎo)致毛刺、分層等宏觀缺陷產(chǎn)生。這也正是菠蘿銑刀加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，初始表面質(zhì)量極好，而隨著加工距離的提高表面質(zhì)量急速下降的根本原因。

(a)齒尖磨損情況 (b)側(cè)刃磨損情況圖18 菠蘿銑刀刀齒磨損情況

圖19 菠蘿銑刀磨損后的幾何形態(tài)變化

圖20 菠蘿銑刀磨損后對(duì)纖維束作用的改變

通過(guò)以上分析可知，菠蘿銑刀菱形齒形成的剪切作用對(duì)碳纖維銑削加工具有重要意義，但由于菠蘿銑刀自身結(jié)構(gòu)的缺陷，進(jìn)給速度與刀具壽命均受到嚴(yán)重制約。

4 結(jié)論

本文使用菠蘿銑刀對(duì)不同形式CFRP層合板進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)不同的進(jìn)給速度與切削距離情況下形成的CFRP加工表面形貌，得到如下結(jié)論：

(1)使用菠蘿銑刀加工CFRP時(shí)，工件表面質(zhì)量隨加工距離和進(jìn)給速度的增加而逐漸降低。進(jìn)給速度越大其最大加工距離越小。

(2)菠蘿銑刀壽命有限的原因是菠蘿銑刀的刀齒密集分布，排屑及散熱受限；同時(shí)菠蘿銑刀材質(zhì)為硬質(zhì)合金及其涂層，銑刀涂層容易脫落。

(3)分析菠蘿銑刀加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)表面缺陷的形成過(guò)程與機(jī)理，揭示其在加工效率與刀具壽命方面存在的不足，為CFRP高速銑削刀具的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。