超臨界二氧化碳低溫銑削CFRP復合材料試驗研究*

鄒 凡，王賢鋒，張烘州，安慶龍

（1.上海交通大學，上海 200240；2.中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 200436）

碳纖維增強復合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因其優(yōu)異的性能得到廣泛的應用，尤其是在航空領域[1–2]。在實際應用中，制孔和切邊是最廣泛的機械加工形式。CFRP復合材料因其具有各向異性和非均質性，在加工過程中容易發(fā)生損傷，例如分層、毛刺、黃化等[3]，影響零件的服役性能。航空工業(yè)中常用的CFRP復合材料采用熱固性樹脂作為基體，其在較高的溫度下會發(fā)生不可逆的玻璃化轉變[4]。在機械加工過程中，切削量較大時會產生較多的切削熱，導致較高的切削溫度，從而降低加工質量，影響使用性能[5]。這就限制了CFRP復合材料的加工效率。

CFRP復合材料對水分比較敏感，過多水分在后續(xù)的膠接過程中會影響?zhàn)そ有阅埽枯^高的CFRP復合材料膠接時連接強度較低[6]。因此，在CFRP復合材料的切削加工中不宜采用切削液。低溫切削避免了切削液的使用，是一種低成本、環(huán)境友好型的加工方式，成為了近年來的研究熱點。液氮（LN2）[7]和液態(tài)二氧化碳（LCO2）[8]是常用的傳統(tǒng)冷卻介質。但是，LN2和LCO2通常采用浸泡和噴射的方式進行冷卻，冷卻介質用量較大，同時過低的溫度可能對材料產生負面的影響。超臨界二氧化碳（Supercritical carbon dioxide， scCO2）是一種氣態(tài)和液態(tài)并存的流體，其特點是臨界條件容易達到，化學性質不活潑，無色無味無毒，價格低廉。通過合理設計的流道，超臨界二氧化碳冷卻系統(tǒng)可以在噴口處由于Joule–Thomson效應發(fā)生等焓環(huán)境下自由膨脹，從而導致溫度迅速下降（可達約–76℃）,成為近年來低溫切削冷卻介質的新選擇。Clarens等[9]將超臨界二氧化碳冷卻方法引入切削加工中，通過攻絲試驗證明其良好的效果。梁旭等[10]進行了包括干切和超臨界二氧化碳冷卻在內的多種冷卻潤滑方式下的鈦合金銑削試驗，結果表明超臨界二氧化碳冷卻系統(tǒng)具有顯著的降溫效果。周莉等[11]系統(tǒng)地研究了超臨界二氧化碳冷卻潤滑方法的優(yōu)勢及其研究現狀。現有的研究中，國內外學者主要將超臨界二氧化碳冷卻技術應用于金屬材料的切削加工，缺少應用于復合材料加工的研究。

切削溫度給CFRP復合材料的加工帶來了挑戰(zhàn)。過高的溫度會造成嚴重的加工損傷，影響CFRP材料的使用性能。低溫切削的加工方式有助于解決這些問題。在眾多冷卻介質中，scCO2因其價格低廉、環(huán)境友好、使用方便，是一個很好的選擇。

本研究進行了干切和低溫切削條件下不同切削參數的CFRP銑削試驗，旨在研究低溫冷卻方式對CFRP銑削加工性能的影響。其中，切削彎矩、切削溫度、表面粗糙度是重要的加工性能評價指標。同時，對切削參數（切削速度和進給速度）的影響也進行了討論。

試驗材料及方法

采用T800/X850碳纖維增強樹脂基復合材料作為工件材料，尺寸為300mm×200mm×6mm。T800/X850碳纖維增強樹脂基復合材料是以X850環(huán)氧樹脂為基體、T800高強度碳纖維為增強材料的一種復合材料。試驗中使用的T800/X850復合材料共有32個鋪層，鋪層方向為：[45/0/0/–45/0/90/0/0/90/0/–45/0/0/45]s。T800/X850復合材料的組成和力學性能如表1和表2所示。

表1 T800/X850 CFRP復合材料組成Table 1 Composition of T800/X850 CFRP

表2 T800/X850 CFRP復合材料力學性能Table 2 Mechanical performance of T800/X850 CFRP

試驗所用刀具為SECO復合材料銑刀（880040R020Z4.0–DURA），形狀如圖1所示。該刀具直徑為6mm，總長60mm，切削刃長18mm，螺旋角10°，刀尖圓弧半徑0.2mm。該銑刀小螺旋角的設計是為了降低復合材料加工中的分層損傷。基體材質為硬質合金，采用化學氣相沉積工藝在其表面制備了金剛石涂層。金剛石涂層刀具具有高硬度和高耐磨性、低摩擦系數等特點，適用于加工CFRP等復合材料。

圖1 金剛石涂層銑刀實物圖Fig.1 Diamond coated milling cutter

常溫常壓下的CO2氣體通過氣泵被進一步壓縮超過臨界壓力，并通過加熱器加熱超過臨界溫度，得到scCO2，在室溫下就可以完成超臨界二氧化碳的制備。在噴口處由于Joule–Thomson效應，在等焓環(huán)境下自由膨脹導致溫度迅速下降（大約–76℃），氣態(tài)二氧化碳/干冰顆粒混合噴入切削區(qū)。本研究中scCO2低溫冷卻采用外冷的方式，兩個噴嘴對稱分布，噴口與切削區(qū)域的距離約為5mm，噴口溫度經測量約為–76℃。

圖2給出了CFRP層合板銑邊試驗的現場照片。試驗在HURCO VMX42三軸立式加工中心上進行。機床最大主軸轉速12000r/min，定位精度0.01mm，重復定位精度0.005mm。X、Y、Z軸的最大行程分別為1067mm、610mm和610mm。

圖2 試驗現場照片Fig.2 Setup of milling experiment

試驗中，采用側銑的方法進行切邊加工，其中銑削方式為順銑。采用Spike刀柄采集切削過程中切削彎矩等信號，采集頻率設定為2.5kHz，可直接測量刀具上的切削彎矩和力矩。Spike智能刀柄采用藍牙無線連接，方便進行切削信號的采集，同時適用于工業(yè)生產的智能加工場景。采用FLIR A615紅外熱像儀實時監(jiān)測銑削溫度，其分辨率為640×480像素，熱靈敏度<0.05℃，滿足試驗需要。

采用全因素試驗的方法，研究切削速度、進給量、冷卻方式對CFRP復合材料銑削過程的影響，主要分析切削彎矩、切削溫度、表面粗糙度和表面三維形貌，重點研究低溫切削環(huán)境對CFRP復合材料加工的影響。試驗過程中，每組試驗參數共做3次重復試驗，所得數據取平均值。表3給出了銑削試驗中采用的加工參數。

表3 切削試驗參數Table 3 Test parameters of milling experiment

在試驗結束后，利用MIRA3–TESCAN掃描電鏡觀察了不同加工參數下的銑削表面。此外，還用激光掃描共焦顯微鏡（KEYENCE VK–X200）測量了表面的三維形貌并計算了表面粗糙度。

結果與討論

1 切削彎矩

本研究中，無線測力刀柄可以采集X和Y方向的彎矩，以及加工過程中的軸向力。在銑削過程中，刀具上的切削力方向是不斷變化的。Spike刀柄測量的彎矩等于X和Y向切削力矢量和與力臂的乘積，比切削力更適合分析，能直接反映當前的加工狀況。圖3給出了線速度為25m/min時切削彎矩在X和Y方向的極坐標圖。本文采用的是小螺旋角銑刀，軸向力很小，切削能量消耗主要為切削彎矩。切削彎矩是CFRP復合材料切削過程中重要的指標，可以用于衡量材料加工性能。在銑邊過程中存在切入、平穩(wěn)銑削、切出3個狀態(tài)。選取平穩(wěn)銑削階段的切削彎矩進行量化分析。

圖3 切削速度為25m/min的切削彎矩Fig.3 Bending moment of cutting process under cutting speed of 25m/min

圖4是常溫和低溫切削穩(wěn)定階段的彎矩均值隨著切削參數的變化情況，可以看出切削彎矩隨著進給量的增大顯著上升，隨著切削速度增大總體上稍有減小。進給量增大，銑削時每齒切削厚度增大，銑削彎矩隨之增大。主軸轉速提高，銑削力有一定的下降趨勢，這是因為主軸轉速提高后，切削剪切角增大，導致剪切面減小，工件所需的銑削力也有一定的減小。同時，隨著銑削速度提高，銑削溫度會有一定的升高，導致摩擦系數降低，變形系數減小，故單位面積切削彎矩會減小，所以切削彎矩有減小的趨勢。就冷卻潤滑條件而言，CFRP復合材料低溫切削彎矩顯著大于干切條件下的切削彎矩，與文獻中關于切削力變化情況的結論一致[12]。這是由于低溫下CFRP復合材料的強度和彈性模量得到提高，材料去除過程消耗更多的能量。另外，在低溫環(huán)境下樹脂的熱軟化現象被避免，低溫切削中碳纖維和樹脂基體間界面結合力顯著高于干切時的結合力。低溫切削中較高的界面結合力導致纖維斷裂機理發(fā)生一定的改變，從彎曲斷裂部分轉變?yōu)橄哪芰扛嗟募羟袛嗔裑13]。

圖4 切削彎矩隨著切削參數的變化情況Fig.4 Variation of bending moment under different cutting parameters

2 切削溫度

在復合材料銑削中，切削溫度是重要的過程物理量，因為它會對復合材料的表面質量和刀具壽命產生很大影響。此外，加工溫度過高也會導致基體材料的軟化，降低層間的強度，影響加工后產品的使用性能。

圖5的紅外熱像照片描述了加工溫度的比較（干切和二氧化碳低溫），其中加工參數為切削速度50m/min，進給量為0.1mm/z。可以看出，切削溫度得到很大程度的降低，最高溫度從109℃降低到了57℃，降幅達到52℃。這樣的降溫效果主要是由于低溫二氧化碳迅速帶走切削過程產生的熱量，避免了熱累積。

圖5 切削溫度對比Fig.5 Comparison of temperature under different cutting conditions

圖6展示了最高切削溫度隨著切削速度和進給速度的變化情況。可以看出在低溫冷卻的條件下，切削溫度得到極大降低，平均降幅在50%以上。特別是在高切削速度的條件下，干切的切削溫度已經達到玻璃化溫度，而低溫切削中切削溫度遠低于玻璃化溫度，避免了復合材料在加工中的熱損傷。就切削參數對切削溫度的影響而言，低溫條件下切削溫度隨著切削速度和進給速度的提高表現出上升的趨勢，其中切削速度的影響更為顯著。當每齒進給量保持不變時，單位時間內刀具和工件之間的摩擦長度會隨著切削速度的增大而增加，使得加工過程中的總產熱量增加，切削溫度相應地也會升高。進給量提高時，單位時間去除了更多的材料，切削能耗提高顯著，其中一部分轉化為切削熱，使得切削溫度略有增加。

圖6 最高切削溫度隨著切削參數的變化Fig.6 Variation of maximum cutting temperature under different cutting parameters

3 表面質量

CFRP復合材料的表面完整性主要取決于工藝參數（切削速度、進給速度等）和工件材料性能（纖維類型等）。表面粗糙度Sa是衡量加工表面完整性的重要指標。對試驗中所有樣品的面粗糙度進行測量，測量面積是1500μm×1000μm。圖7顯示了在干燥和低溫條件下，表面粗糙度隨切削速度和進給速度的變化情況。可以看出所有參數下低溫切削產生的表面質量均得到明顯提高。其中，Sa最大降幅達到27%。低溫冷卻改變了材料的物理性質及其行為，如在低溫下的韌脆行為。材料物理性能的這種差異提高了CFRP復合材料中碳纖維的脆性，同時保持了銑刀的鋒利度，并顯著降低了熱損傷。結果表明，在本研究所采用的低溫條件下表面質量較好，表現出更好的切削參數適應性。就切削參數對表面粗糙度影響而言，干切和低溫條件下隨著進給速度的增加，粗糙度呈現上升趨勢。低溫切削和干切中切削速度對表面粗糙度的影響較小。干切中隨著切削速度提高，粗糙度略有下降，這是由于較高的切削溫度下樹脂被涂抹在切削表面。在低溫切削中，切削熱溫度的影響被避免，切削速度對表面粗糙度幾乎沒有影響。

圖7 表面粗糙度隨切削參數變化情況Fig.7 Variation of surface roughness under different cutting parameters

圖8為采用掃描電鏡和激光共聚焦顯微鏡對切削表面進行觀察得到的結果。可以看出，纖維方向對表面形貌有著極大的影響，0°的表面相對平整，–45°鋪層方向的逆纖維切削區(qū)有明顯的凹坑，這與材料去除機理有關。對比低溫切削和干切的表面可以看出，表面質量得到明顯的提高，低溫表面更為光滑，凹坑較淺。在纖維方向角–45°的表面，凹坑深度降低，這與低溫下材料去除機理的改變有關。在低溫下，樹脂的熱軟化效應被避免，碳纖維的纖維脆性提高。

圖8 干切和低溫切削產生的表面形貌Fig.8 Surface morphology of machined CFRP surface under cryogenic and dry environment

結論

本文對T800/X850 CFRP復合材料進行了在干切和低溫切削條件下的銑削試驗。研究了切削彎矩、切削溫度、表面粗糙度和微觀形貌在干切和低溫切削條件下的變化規(guī)律，得到如下結論。

（1）與干切相比，低溫切削提高了切削彎矩，降低了切削溫度，獲得了更好的表面質量。

（2）高轉速、小進給和低溫冷卻的組合在改善CFRP復合材料加工質量的同時提高了加工效率。

（3）在干切和低溫切削中，切削參數對切削過程的影響規(guī)律類似。