周井文， 秦文津， 穆英娟， 任培強， 劉 星， 陳 燕

(1. 上海航天精密機械研究所, 上海 201600) (2. 上海航天智能裝備有限公司, 上海 201112) (3. 南京航空航天大學, 江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室, 南京 210016)

碳纖維增強聚合物基復合材料是航空、航天、船舶、汽車等領域最重要和熱門的材料之一?？紤]到材料的力學性能特點，碳纖維復合材料一般采用近凈成形技術，主體結構并不需要額外進行減材加工，主要加工工藝為裝配、連接區(qū)域的切邊與制孔[1-2]。碳纖維結構件的切邊工藝方法一般以銑削為主，同時還有相當數(shù)量的鋸切、車削、磨粒加工等[3-4]。

工程應用層面，碳纖維加工過程中最受關注的是其表面質(zhì)量和缺陷控制。諸如分層、撕裂、樹脂涂覆、降解等缺陷是直接影響產(chǎn)品力學性能的重要質(zhì)量問題。同時，刀具磨損嚴重、加工工藝難以統(tǒng)一等問題，會進一步降低CFRP結構件的合格率，提高其應用成本[5-7]。為此，國內(nèi)外研究人員在CFRP加工技術方面開展了諸多研究工作。

WANG等[8]對疊層CFRP加工表面粗糙度進行測量后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的粗糙度Ra測量值跳動非常大，并不適合表征加工表面質(zhì)量。AZMI等[9]等分別對切削力和粗糙度進行多元擬合后也發(fā)現(xiàn)粗糙度擬合度較差，認為是由于表面纖維拔出的隨意性導致粗糙度變化較大所致。CFRP纖維的各向異性和非均勻性，使測得的粗糙度具有較大隨意性。

相比于表面粗糙度，加工表面形貌及缺陷同樣是研究的重點。EL-HOFY等[5]對不同纖維方向的加工表面缺陷及形貌進行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)纖維方向?qū)庸け砻嫘蚊布叭毕菪纬捎休^大影響。并且，磨損的刀具使加工表面質(zhì)量急劇下降，缺陷增多。MKADDEM等[6]采用有限元分析方法對單向結構CFRP在加工過程中切削力的大小及特征進行了仿真，研究了切削力與纖維方向、切削參數(shù)以及刀具幾何角度的關系。

然而，由于碳纖維材料極強的耐磨性，銑削加工通常需要昂貴的金剛石涂層刀具甚至PCD刀具，加工成本居高不下，而磨削工具因其適宜的制造成本，近年來應用范圍不斷擴大?；谔祭w維增強復合材料的切邊加工，采用銑削和磨削2種加工方式，分析加工表面形貌和表面粗糙度，討論2種加工方式下其表面質(zhì)量差異和缺陷形成的原因。

1 試驗條件和方案

試驗在DMG-Ultrasonic 220五軸高速加工中心(圖1)上進行。所用工件為T800碳纖維(直徑為7μm)增強環(huán)氧樹脂復合材料層壓板，工件規(guī)格為150 mm×200 mm×9 mm。鋪層方式為[(0°/45°/90°/135°) (0°/90°/135°/45°)2]s，共計48層。

切削加工立銑刀為金剛石涂層玉米銑刀，如圖2所示：直徑為10 mm，刃數(shù)為12排，每刃周向?qū)挾萳m約為0.85 mm，排屑槽周向?qū)挾燃s為1.77 mm。

磨削加工工具為單層有序排布釬焊磨頭，如圖3所示：直徑為10 mm，齒數(shù)為12排，釬料為Ag-Cu-Ti，釬焊金剛石磨粒粒徑為145±5 μm。

圖2 銑削刀具

圖3 磨削刀具

切削參數(shù)如表1所示。加工完成后將工件在丙酮溶液中超聲清洗15 min后自然風干。用Mahr M1粗糙度儀對加工表面的粗糙度進行測量，再用掃描電鏡(SEM)觀察加工表面形貌。

表1 切削參數(shù)

2 試驗結果與討論

2.1 表面形貌與粗糙度

纖維角度的定義如圖4所示[10]。圖5和圖6所示為銑削加工和磨削加工的表面微觀形貌。

圖4 纖維角度定義

2種加工方式下，0°纖維角度鋪層的加工表面形貌大致相當，并無典型區(qū)別，具體差異性體現(xiàn)在其他3種纖維角度鋪層上。

對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)：銑削加工后，工件表面呈現(xiàn)規(guī)律型凹坑。其中，45°纖維角度鋪層加工質(zhì)量最差，出現(xiàn)了大量集束纖維彎曲斷裂形成的凹坑，且這一凹坑現(xiàn)象的出現(xiàn)與刀具進給量關系不大；90°和135°纖維角度鋪層均出現(xiàn)了嚴重的樹脂涂覆現(xiàn)象，并且隨著進給量的增大，樹脂涂覆現(xiàn)象略有減輕。但是兩者也存在一定差異性：90°纖維角度鋪層出現(xiàn)明顯樹脂涂覆現(xiàn)象，隨進給量增大而減輕，同時出現(xiàn)了可見的淺坑；135°纖維角度鋪層的涂覆現(xiàn)象較弱，加工表面纖維出露相對較少。

對于磨削加工而言，整體加工表面呈現(xiàn)固定排列的豎脊，并無凹坑。豎脊正好位于纖維鋪層之間，屬于樹脂層。這主要是由于樹脂材料具備彈性，在磨削弧區(qū)受熱軟化后極易受擠壓而填充于磨粒間隙中，最終形成該形貌。對各鋪層內(nèi)部進行橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)：45°纖維角度鋪層纖維斷口更清晰，顯得較為粗糙，其余纖維角度鋪層的表面相對平整。但無論何種纖維角度鋪層，其纖維斷口均清晰可見，無明顯樹脂涂覆現(xiàn)象。

整體而言，磨削加工表面質(zhì)量優(yōu)于銑削加工表面質(zhì)量，尤其對于45°纖維角度鋪層。銑削加工導致的纖維集束彎曲斷裂會在碳纖維與樹脂界面產(chǎn)生裂紋，并存在向深度發(fā)展的趨勢，這也是分層缺陷產(chǎn)生的一大誘因。另外，對于90°和135°纖維角度鋪層，樹脂涂覆意味著表層樹脂溫度已達到其玻璃化轉變溫度，基體性能存在損傷風險。

圖7為銑削加工與磨削加工后工件表面的粗糙度對比。由圖7可以發(fā)現(xiàn)：對于表面粗糙度Ra(輪廓算術平均偏差)而言，盡管銑削后的表面質(zhì)量要優(yōu)于磨削后的，但其誤差非常大；而對于表面粗糙度Rz(微觀不平度十點高度)而言，磨削加工后的表面質(zhì)量要優(yōu)于銑削加工后的，并且磨削后的表面粗糙度誤差要遠低于銑削后的，說明磨削加工表面質(zhì)量較好。該結果同樣也符合圖5和圖6的表面形貌觀察結果。

2.2 表面形貌形成機理

從正交切削角度而言，銑削加工為正前角加工，而磨削加工為負前角加工。圖8為銑削過程示意圖。碳纖維本身屬于硬脆材料，在去除過程中并無明顯塑性變形，而是發(fā)生斷裂或者破碎。以45°角纖維為例(圖8b)，在切入過程中，刀具前刀面切向與纖維方向夾角較小，刀具前刀面與刃口圓角的作用更類似于沿纖維軸向?qū)⑵浼鴱幕w分離。隨著刀具旋轉，纖維束彎曲不斷加劇直至斷裂，形成凹坑。

圖9為磨削過程磨粒接觸長度，圖10為不同方向纖維斷裂形式。對磨削而言，無論磨粒如何分布，其加工工況均為負前角加工，磨粒切削刃切向與纖維方向夾角遠大于銑削狀態(tài)時的，材料去除形式更加類似于在磨粒擠壓作用下直接發(fā)生破碎而分離。因此，2種截然不同的材料去除方式造成了加工表面形貌差異巨大。

90°纖維角度鋪層的材料磨削去除機理基本一致，相比于45°纖維角度鋪層材料，其已加工表面對碳纖維束的把持力明顯增強，碳纖維彎曲變形量明顯減小。切削加工中，材料去除形式從彎曲斷裂向破碎分離轉變，加工表面既存在一定數(shù)量的淺坑又存在部分樹脂涂覆。磨削加工時材料分離形式仍為碳纖維破碎。

對于135°纖維角度鋪層而言，2種工藝方法最大的差異為表面樹脂涂覆。樹脂涂覆意味著刀具與已加工表面存在嚴重的摩擦、擠壓作用。從加工形式來看，磨削為負前角切削，其對加工表面的擠壓作用應更為劇烈，因此樹脂涂覆現(xiàn)象必定更為嚴重，但實際觀察對比的結果正好相反(圖5和圖6)?？紤]到銑削刀具后刀面同樣對加工表面有擠壓作用，可以通過比較銑削與磨削方式在加工弧區(qū)的作用比例來判斷刀具與加工表面作用的劇烈程度。加工弧區(qū)長度L如式(1)所示：

(1)

其中：刀具直徑D=10 mm，徑向切寬ae=1 mm。代入可得L=3.22 mm。

立銑刀刃口數(shù)量為12，單刃后刀面周向長度即為接觸長度lm=0.85 mm(圖8a)，在刀具整體周向，切削刃后刀面占比Am如式(2)所示：

(2)

其中：刃口數(shù)量N=12。代入得Am=32.5%。

金剛石磨頭磨粒排數(shù)同樣為12排，金剛石磨粒作二維化處理，簡化為正六邊形。由于磨粒方位的隨機性，如圖9所示，實際單顆磨粒接觸長度是不斷變化的。磨粒尺寸以140 μm計算，實際接觸長度為140～173 μm。因此金剛石磨頭磨粒占比Ag如式(3)所示：

(3)

其中：磨粒排數(shù)N=12。代入得Ag∈(5.3% , 6.6%)。

將結果代入式(4)和式(5)：

Lm=LAm

(4)

Lg=LAg

(5)

得出Lm為1.05 mm，Lg范圍在(0.17 mm，0.21 mm)?？梢园l(fā)現(xiàn)銑削加工過程后，刀面接觸長度是磨削加工磨粒接觸長度的5～6倍，充分說明樹脂涂覆現(xiàn)象是由刀具后刀面的持續(xù)擠壓作用形成的。對刀具前后刀面的觀察同樣驗證了該猜想，圖11為銑削刀具前后刀面的磨損形貌。從圖11發(fā)現(xiàn)：刀具后刀面出現(xiàn)了大量磨粒磨損，而前刀面幾乎無任何磨損。

(a) 后刀面 Flank face(b) 前刀面 Rake face圖11 銑削刀具磨損Fig. 11 Tool wear of end mill

3 結論

為研究銑削加工和磨削加工對碳纖維增強復合材料表面質(zhì)量的影響，使用單層釬焊金剛石磨頭和金剛石涂層玉米銑刀對T800碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料層壓板進行切邊加工。通過對加工表面微觀形貌的觀察和表面粗糙度的測量對比，討論了2種加工方式下表面質(zhì)量差異和缺陷形成的原因，結論如下：

(1)磨削加工表面質(zhì)量優(yōu)于銑削加工表面質(zhì)量。銑削加工表面多出現(xiàn)樹脂涂覆(135°和部分90°纖維角度鋪層)和無規(guī)律纖維集束斷裂凹坑(45°和部分90°纖維角度鋪層)。磨削表面無明顯樹脂涂覆和凹坑，纖維斷口清晰可見。

(2)正前角銑削加工會造成45°纖維角度鋪層集束斷裂而形成凹坑，并隨纖維角度增大而減輕。磨削加工下材料去除形式主要為磨粒擠壓后的破碎分離。

(3)銑削刀具后刀面與工件材料的長期擠壓、摩擦是造成以135°纖維角度鋪層表面樹脂涂覆的主要原因，磨削加工由于磨粒與加工表面接觸長度短，幾乎無明顯樹脂涂覆現(xiàn)象。