蘇飛，袁軍堂，于斌斌，汪振華

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京210094)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)作為一種新型結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、汽車、風(fēng)電葉片等制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

CFRP 的機械加工存在很多問題，例如材料產(chǎn)生分層破壞、產(chǎn)生殘余應(yīng)力、引起撕裂和毛邊等［1-4］。針對這些問題的解決，國內(nèi)外專家學(xué)者在CFRP 的機械加工方面做了較多研究。張厚江等［4］通過對單向CFRP 的鉆削實驗，研究了不同纖維方向與切削方向夾角下孔壁的微觀形貌，并總結(jié)了3 種典型的纖維斷口。鮑永杰等［5］、Gao 等［6］以單向CFRP 為研究對象，建立單絲切削模型，并結(jié)合單點飛切實驗分析了纖維斷裂方式以及纖維受拉、剪應(yīng)力斷裂所形成的斷口形貌。Wolfgang Hintze 等［7］通過單向碳纖維復(fù)合，研究了不同纖維取向下切削表面產(chǎn)生缺陷的狀況，總結(jié)出了缺陷的發(fā)生區(qū)、擴散區(qū)和無擴散區(qū)。Karpat［8］等使用2 種不同的刀具對單向CFRP 進行銑削實驗，研究了不同纖維取向下的切削力及其加工質(zhì)量。Hintze 等［7-10］的銑削實驗均采用了工件平放的銑削方式，在CFRP 工件構(gòu)形復(fù)雜的特定銑削加工中，這種銑削加工方式將存在一定的局限性。而切削表面的加工質(zhì)量與纖維的取向密切相關(guān)［4］，因此，工件采用不同的放置方式進行銑削，對其切削表面的研究顯得十分必要。另外，對復(fù)合材料加工表面質(zhì)量的評價缺乏統(tǒng)一的方法和手段，能真實和全面反映切削表面形貌特征的有效方法還不夠成熟［11］。但通過觀測切削表面的微觀形貌可以反映切削表面的真實特征。目前，關(guān)于平紋織物CFRP 工件采用立放方式的銑削研究并未涉及到，特別是其切削表面的微觀形貌研究鮮有報道。

針對以上現(xiàn)狀，本文以平紋織物CFRP 為研究對象，采用立放方式進行銑盲槽實驗，分析被切削區(qū)上表面缺陷狀況及其與切削速度vc和進給速度vf的關(guān)系，通過掃描電鏡(SEM)觀察并分析纖維的斷口形狀、槽壁形貌、槽底部形貌和切屑形狀。

1 實驗方案

1.1 實驗條件

試件材料為板狀平紋織物碳纖維布疊層復(fù)合材料(T300/環(huán)氧樹脂，CFRP)，基體為熱固性環(huán)氧樹脂，厚15 mm，纖維直徑7 ～8 μm，纖維體積含量60% ～65%，試件為110 mm×20 mm×15 mm 方條。

采用整體硬質(zhì)合金(YG6X)螺旋齒立銑刀，直徑6 mm，4 齒右螺旋:螺旋角β 為30°，主切削刃前角γ 為5°，后角α 為12°.

平紋織物CFRP 制作成型后，平紋交織結(jié)構(gòu)中的經(jīng)紗和緯紗難以分辨。實驗中:試件立放，豎直方向纖維束定義為經(jīng)紗(經(jīng)向纖維)，水平方向為緯紗(緯向纖維)。一束經(jīng)紗、緯紗的平均寬2.5 mm，實驗中為了能清楚反映整個一束緯紗的切削形貌，選切削深度ap為3 mm. 通過改變切削速度vc和進給速度vf，在KVC1050M 立式加工中心上進行單因素實驗，所選用的切削速度vc和進給速度vf如表1 所示。

表1 所選切削速度vc和進給速度vfTab.1 Selected milling parameters vc and vf

實驗采用無冷卻銑削方式，實驗裝置實物以及銑削方式和槽內(nèi)各部位名稱分別如圖1(a)和圖1(b)所示。試件被銑削后，從中抽取部分試件，采用掃描電鏡(SEM)分別對試件的不同部位(包括槽的前端壁、側(cè)壁和底面，見圖1(b))及切屑進行觀察及分析。

1.2 工件立放銑削模型

立銑刀的主切削刃分布在銑刀的圓柱表面上。為便于分析，以主切削刃的切削方向和纖維層片方向為參考建立切削模型，如圖2(a)所示。

圖1 實驗裝置、銑削方式和槽各部位Fig.1 Experimental setup，milling method and slot

圖2中:ψ 為纖維層片方向與切削方向的夾角;θ 為切削處緯向纖維與切削方向的夾角;φ 為切削處緯向纖維的彎曲角度(彎曲度)，由相關(guān)文獻［12］可知-5°≤φ≤5°;Fc為切削處平行于切削方向的切向銑削力;Fcn為徑向銑削力;Fr為銑削力的合力;Fτ為銑削力合力沿垂直纖維軸向的分力，它將對待切纖維形成剪切應(yīng)力;Fσ1為銑削力合力沿纖維軸向的分力，它將對待切纖維形成壓應(yīng)力;Fσ2為銑削力合力沿纖維軸向的分力，它將對待切纖維形成拉伸應(yīng)力。

從銑削模型可知，不同的切削區(qū)域(即ψ 不同)，緯向纖維的主要受力狀況也不同，而θ 與ψ 相差并不大，可認(rèn)為微小段單根緯向纖維是直的，故在不考慮切削速度、刀具螺旋角和材料變形的條件下，以θ 為參考，分析單根緯向纖維的主要受力狀況。當(dāng)0° ＜θ ＜90°時，切削過程中Fτ將對待切纖維形成剪切應(yīng)力，F(xiàn)σ1對待切纖維形成壓應(yīng)力，可見纖維主要受到壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，如圖2(b)所示;當(dāng)θ =90°時，待切纖維主要受剪切應(yīng)力;當(dāng)90° ＜θ ＜180°時，在Fτ對待切纖維形成剪切應(yīng)力的同時，F(xiàn)σ2將對待切纖維形成拉伸應(yīng)力，此時，纖維主要受到拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力，如圖2(c)所示。

圖2 切削模型和單根緯向纖維切削模型Fig.2 Cutting model (a)and cutting model (b、c)of single fiber

1.3 分層缺陷評價因子

在試件采用立放方式的銑削過程中，槽兩側(cè)將產(chǎn)生高層間應(yīng)力，導(dǎo)致層與層之間產(chǎn)生裂紋。同時，刀齒產(chǎn)生的擠壓和滑移將破壞表面自由邊的纖維束。這些分層和纖維破壞將直接影響制品的質(zhì)量，如圖3 所示為vc=64 m/min，vf=100 mm/min，ap=3 mm 時的評價因子。參考相關(guān)文獻的研究［13-14］，以切削區(qū)槽兩側(cè)上表面分層和纖維破壞的情況作為衡量缺陷大小的因子，簡稱分層因子Fd，以此來表征制品表面的加工質(zhì)量，如(1)式所示:

式中:Wmax為槽兩側(cè)被破壞的最大寬度;W 為槽的加工寬度。Wmax通過立體顯微鏡和圖片處理軟件測得。

圖3 分層和纖維破壞及其評價因子Fig.3 Delamination，damaged fibers and evaluation factor

2 結(jié)果分析和討論

2.1 切削區(qū)上表面缺陷分析

在90°≤ψ≤180°區(qū)域內(nèi)，槽前端上表面普遍存在毛刺缺陷，且隨著ψ 的增大，毛刺逐漸明顯，如圖4(a)所示。切削過程中，切削區(qū)上表面的緯向纖維隨著刀具向前推擠將發(fā)生退讓和翻邊。銑刀切入側(cè)(0°≤ψ ＜90°)，緯向纖維的退讓方向與刀具的切削方向有同向趨勢，纖維無法避讓而被切除，而銑刀切出側(cè)(90°≤ψ≤180°)，緯向纖維的退讓方向與刀具的切削方向有反向趨勢，隨著刀具的繼續(xù)推擠纖維與刀具趨于分離，造成纖維避讓而形成毛刺，隨著ψ 增大，避讓越嚴(yán)重，毛刺也越明顯。另外，刀刃鈍圓半徑較大，纖維不易被切斷［15］也是毛刺的形成原因之一。其中，銑刀切入側(cè)和切出側(cè)的銑削方式分別為逆銑和順銑。由此可知，在CFRP 工件采用立放方式的實際銑削加工過程中，應(yīng)采用逆銑的銑削方式，且銑削寬度小于刀具半徑為宜。

槽兩側(cè)上表面普遍存在經(jīng)緯界面的分層和纖維的破壞缺陷，如圖3(a)和圖4(b)所示。其中，刀齒產(chǎn)生的擠壓和滑移導(dǎo)致自由邊的纖維受到破壞。經(jīng)緯交叉處應(yīng)力最大［16］，基體最容易被破壞，由此造成經(jīng)緯界面的分層。加上復(fù)合材料內(nèi)部基體分布并非均勻，這也促使著分層的產(chǎn)生。此外，在緯向纖維的初始彎曲作用下，導(dǎo)致了槽兩側(cè)上表面普遍存在緯向纖維的回彈現(xiàn)象，見圖4(b). 而且緯向纖維的彎曲度越大，這種現(xiàn)象越明顯。部分緯向纖維的“回彈”也正是槽兩側(cè)產(chǎn)生毛刺的主要原因。

槽兩側(cè)產(chǎn)生的分層和纖維破壞直接影響制品的質(zhì)量，以分層因子Fd來衡量制品表面的加工質(zhì)量。分層因子Fd與切削速度vc和進給速度vf之間的關(guān)系如圖4(c)和圖4(d)所示。隨著切削速度vc的增大分層因子Fd逐漸減小，分層缺陷平均減小30.44%. 隨著進給速度vf的增大分層因子Fd逐漸增大，分層缺陷平均增大73.49%.

由分層因子與切削速度vc和進給速度vf之間的關(guān)系不難得出，在滿足一定的加工質(zhì)量和加工要求前提下，實際加工中可以優(yōu)先提高切削速度vc，適當(dāng)?shù)卦龃筮M給速度vf.

2.2 槽壁纖維斷口的SEM 分析

仔細(xì)觀察槽前端壁和側(cè)壁的纖維斷口發(fā)現(xiàn)，緯向纖維的典型斷口形貌主要有5 種，如圖5(a)～圖5(e)所示。圖5(a)斷口平面與纖維軸線基本垂直，圖5(b)斷口平面與纖維軸線不垂直。這2 種斷口形貌主要出現(xiàn)在ψ=90°附近的槽前端壁上，該區(qū)域內(nèi)θ 基本呈90°，纖維所受拉伸應(yīng)力或壓應(yīng)力均較小，主要受剪切應(yīng)力，可見這2 種斷口形貌是由于纖維受剪切應(yīng)力形成的。如圖5(c)所示，多階平面斷口主要出現(xiàn)在ψ =45°附近的槽前端壁上。當(dāng)ψ在0°附近時，由于壓應(yīng)力過大，部分纖維斷口已受到不同程度的破壞，纖維斷口較為破碎，而隨著ψ的增大，纖維所受壓應(yīng)力的破壞作用減小;當(dāng)ψ 在45°附件時，纖維斷口較為完整。由于ψ 與θ 相差不大，該區(qū)域內(nèi)緯向纖維同時受到壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，因此，多階平面斷口是纖維主要受壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力所形成的斷口;如圖5(d)所示，不規(guī)則斷口主要出現(xiàn)在ψ≥135°附近的槽前端壁上，且隨著ψ 的增大，這種斷口呈增多趨勢。由于ψ 與θ 相差不大，該區(qū)域內(nèi)緯向纖維同時受到拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力。隨著ψ 的增大，θ 也逐漸增大，導(dǎo)致剪切應(yīng)力逐漸減小，而拉伸應(yīng)力逐漸成為主要應(yīng)力，由此可知纖維主要受拉伸應(yīng)力的同時還受剪切應(yīng)力是不規(guī)則斷口形貌形成的原因;如圖5(e)所示，波紋狀斷口主要出現(xiàn)在ψ=45°附近的凹坑內(nèi)，其形成原因較復(fù)雜。

圖5 纖維斷口典型形貌Fig.5 Typical fracture microstructures of fibers

此外，與緯向纖維差別較大的經(jīng)向纖維的典型斷口形貌主要有2 種，如圖5(f)和圖5(g)所示的經(jīng)向纖維典型斷口形貌。圖5(f)是由長斜面和不規(guī)則狀斷口組合而成的斷口，圖5(g)是伴有根部斷裂的長斜面斷口，這2 種斷口形貌極為相似，主要區(qū)別在于圖5(g)中長斜面的根部是斷裂的。

在切削過程中，刀尖與纖維的接觸使纖維受近似均布線載荷，其作用線與纖維軸線形成的夾角δ較小，如圖6 所示。由此產(chǎn)生的剪切應(yīng)力把單根纖維切成2 部分，單根纖維的一部分形成了長斜面纖維斷口。隨著刀具繼續(xù)推擠，導(dǎo)致單根纖維的刀尖前端部分在剪切和拉伸應(yīng)力下迅速形成不規(guī)則斷面，纖維斷口最終形成圖5(f)中斷口形貌，這種斷口主要出現(xiàn)在135°≤ψ ＜180°的槽前端壁上。圖5(g)與圖5(f)斷口的形成原因相似，而根部的斷裂主要由于根部受到了壓應(yīng)力的破壞作用，圖5(g)斷口形貌主要出現(xiàn)在ψ =90°附近的槽前端壁上，可見該處的經(jīng)向纖維容易受到破壞。

圖6 經(jīng)向纖維切削模型Fig.6 Cutting model of warp fiber

圖6中:Q 為經(jīng)向纖維所受近似均布線載荷;δ 為載荷作用線與纖維軸線形成的夾角。

從碳纖維斷口形貌的SEM 觀察及分析可以看出，由于纖維所受應(yīng)力不同，纖維斷口呈現(xiàn)不同的斷口形貌。此外，碳纖維是具有脆性特征的彈性材料［17-19］，在斷裂過程中缺乏塑性流變特性，集中應(yīng)力不易緩和與釋放，而是以裂紋迅速傳播和擴展形成新表面的方式消除的［20-21］，因此纖維斷口處的纖維直徑?jīng)]有明顯的頸縮現(xiàn)象，纖維斷裂呈明顯的脆性斷裂。

2.3 槽前端壁切削表面的SEM 分析

2.3.1 槽前端壁切削表面的整體微觀形貌

結(jié)合纖維斷口形貌的分析，對槽前端壁切削表面的整體微觀形貌進行觀察及分析。結(jié)果表明，樹脂涂覆表面面積相對較小，大部分纖維斷口清晰可見，試件前端壁表面沿著圓周方向的表面粗糙度不一樣。

當(dāng)ψ 在0°附近時(銑刀切入側(cè))，除部分緯向纖維受到破壞外，切削表面整體較平整，見圖7(a);當(dāng)ψ 在45°附近時，切削表面形成明顯的下凹現(xiàn)象，嚴(yán)重影響切削表面的粗糙度，其切削質(zhì)量最差，見圖7(b)左圖;當(dāng)ψ 在90°附近時，除切削表面少部分出現(xiàn)下凹現(xiàn)象外，切削表面整體較平整，見圖7(b)右圖;當(dāng)ψ 在135°附近時，切削表面整體較光潔，沒有明顯的下凹現(xiàn)象，切削質(zhì)量最好，見圖7(c);當(dāng)ψ 在180°附近時(銑刀切出側(cè))，切削表面整體較平整，切削質(zhì)量較好，見圖7(d).

理論上，當(dāng)ψ 在45°附近時，緯向纖維與切削方向的夾角θ ＜90°，這部分纖維的切削形式屬于逆切［5］，其斷裂點在刀刃的下方將形成凹坑。然而，在試件采用立放方式的銑削實驗中，除圖7(b)右圖中Ⅰ區(qū)緯向纖維出現(xiàn)大面積的凹坑外，該區(qū)域內(nèi)的切削表面整體較平整，如圖7 (b)右圖所示。圖7(b)左圖是右圖矩形框中切削表面放大1 200 倍的圖片，從圖中可見纖維斷口出現(xiàn)部分平滑和傾斜等剪切斷口。

在切削過程中，圖7(b)中Ⅰ區(qū)緯向纖維的切除主要由其右側(cè)未被切除的緯向纖維提供支撐。然而，緯向纖維束內(nèi)部的纖維和樹脂分布并非均勻，由此造成緯向纖維束內(nèi)部的局部松散，這種局部松散造成支撐力分布不均衡。支撐力的不均衡促使纖維主要受彎曲作用而發(fā)生斷裂，其斷裂點在刀刃下方，最終形成明顯的“凹坑”。而圖7(b)中Ⅱ區(qū)與Ⅰ區(qū)不同，Ⅱ區(qū)緯向纖維主要由其右側(cè)經(jīng)向纖維提供支撐。與Ⅰ區(qū)相比，Ⅱ區(qū)緯向纖維所受支撐力更為均衡，且經(jīng)向纖維的弧形彎曲對緯向纖維的錯動具有一定的約束作用，這種約束作用改善了緯向纖維的受力狀況，有利于增強剪切效應(yīng)。

綜上可見，在工件采用立放方式的銑削中，這種經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)在一定程度上降低了槽前端壁切削表面的整體粗糙度。

圖7 槽前端壁切削表面的微觀形貌(vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)Fig.7 Cutting surface microstructure of the front wall of slot(vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)

2.3.2 槽前端壁局部缺陷微觀形貌

在90°≤ψ≤135°的局部區(qū)域內(nèi)，經(jīng)緯纖維界面出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象和經(jīng)緯纖維同時被壓碎的現(xiàn)象，且緯向纖維的碎裂程度更為嚴(yán)重，如圖8 所示。這是由于切削過程中經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)在經(jīng)緯相交處應(yīng)力最大［16］，大的應(yīng)力易造成纖維、基體以及纖維與基體界面的破壞。圖8(a)中經(jīng)緯纖維同時出現(xiàn)不同程度的纖維破壞，而緯向纖維的破壞最為嚴(yán)重，可知緯向纖維積聚的變形能最大。圖8(b)中經(jīng)緯界面出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，該處基體較完好，主要是纖維與基體界面受到了破壞。

圖8 槽前端壁局部缺陷的微觀形貌(vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)Fig.8 Microstructures of the part of slot front wall (vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)

仔細(xì)觀察整個槽前端壁的切削表面發(fā)現(xiàn)，這種嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象只出現(xiàn)在90°≤ψ≤135°的切削表面上。此外，根據(jù)槽前端上表面的缺陷分析可知，在90°≤ψ≤180°區(qū)域內(nèi)，槽前端上表面普遍存在毛刺缺陷。因此，平紋織物CFRP 試件在采用立放方式進行銑削時，90°≤ψ≤180°處是銑削的薄弱處。

2.4 切屑的SEM 分析

在所有試件采用立放方式的銑削實驗中，都產(chǎn)生了一種典型切屑，這種切削主要由粉末和大量的長條狀纖維組成，簡稱粉末長條狀切屑。其中長條狀纖維的長度與切削厚度基本相等，其斷口平齊，且大量的樹脂涂覆在纖維斷口上。長條狀纖維斷口形貌與槽底面經(jīng)向纖維的微觀形貌如出一轍，如圖9所示。且這種典型切屑的產(chǎn)生伴隨整個切削過程，由此可以推斷出長條狀纖維切屑主要來自經(jīng)向纖維，其對應(yīng)的切削表面即為槽底切削表面。而其中的粉末則主要來自緯向纖維和樹脂基體。圖9(b)中除部分經(jīng)緯交叉處存在纖維被拔出留下的孔洞外，表面整體較光潔，可見長條狀纖維切屑所對應(yīng)的切削表面較平整，切削表面質(zhì)量較好，因此，所目測到的槽底切削表面很光潔。另外，從槽前端壁切削表面的整體微觀形貌可知，經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)在一定程度上降低了槽前端壁切削表面的整體粗糙度，從而工件采用立放方式的銑削具有可行性。

圖9 典型切屑和槽底切削表面的微觀形貌(vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)Fig.9 Typical chips and microstructure of slot bottom (vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)

3 結(jié)論

1)隨著切削速度vc的增大，分層因子Fd平均減小30.44%;隨著進給速度vf的增大，分層因子Fd平均增大73.49%.

2)緯向纖維的典型斷口形貌主要有5 種，與緯向纖維差別較大的經(jīng)向纖維典型斷口形貌主要有2 種，即長斜面和不規(guī)則狀斷口組合而成的斷口形貌，及伴有根部斷裂的長斜面斷口形貌。

3)在90°≤ψ≤180°區(qū)域內(nèi)，槽前端上表面易產(chǎn)生毛刺缺陷，并且在90°≤ψ≤135°區(qū)域內(nèi)，槽前端壁的切削表面易出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象和經(jīng)緯纖維同時被壓碎的現(xiàn)象。因此，90°≤ψ≤180°區(qū)域(即銑刀切出側(cè))是工件立放銑削的薄弱處。

4)在工件采用立放方式的銑削中，經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)在一定程度上降低了槽前端壁切削表面的整體粗糙度。此外，長條狀切屑所對應(yīng)的切削表面為槽底切削表面，其表面加工質(zhì)量較好。因此，工件采用立放方式的銑削具有可行性。

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