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，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，銑削過程中，如果參數(shù)選擇不合理，會導(dǎo)致切削力過高，加工過程中易形成毛刺、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，國內(nèi)學(xué)者已做了相關(guān)研究。Davim J P等[10]通過實驗研究了加工參數(shù)對CFRP加工毛刺的影響，并得出毛刺長度經(jīng)驗公式。Schulz V等[11]通過試驗得出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動特點對 CFRP 銑削加工表層損傷的機(jī)理的影響。周井文等[13]通過實驗研究了金剛石涂層硬質(zhì)合金銑刀在銑削單向CFRP時，進(jìn)給速度和纖維方向?qū)Ρ砻嫘蚊驳难芯俊？梢园l(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有CFRP形貌的研究大多是針對于加工參數(shù)對CFRP加工質(zhì)量的影響規(guī)律分析，均未涉及對刀具本身的分析。

本文以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通用菠蘿銑刀為對象，開展了不同進(jìn)給速度及切削距離下的切削形貌試驗，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)計對加工質(zhì)量的影響。

1 切削表面形貌形成試驗

1.1 試驗設(shè)備

試驗使用機(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)月試驗進(jìn)行時的機(jī)床定檢精度。表面形貌觀測設(shè)備采用VK-X1000形狀測量激光顯示系統(tǒng)、BIJIA 0500手持式數(shù)碼顯微鏡、POCKET SURF表面粗糙度測量儀及Kistler9257B三向測力儀。

1.2 試驗材料及刀具

試驗所用材料為A350項目提供的兩種T700碳纖維層合板，其基本信息見表1。

表1 A350項目T700碳纖維層合板材料

試驗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開槽。銑削時，左、右螺旋切削刃同時作用于纖維層材料。本次試驗所使用的刀具信息見表2。

圖1 試驗用菠蘿銑刀

表2 試驗所用刀具信息

1.3 試驗方案

不同進(jìn)給速度下對菠蘿銑刀的壽命進(jìn)行試驗，并對菠蘿銑刀各壽命階段進(jìn)行表面形貌分析，旨在通過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)生過程與形成機(jī)理。

試驗分兩批，每批各4組進(jìn)行。分別試驗菠蘿銑刀對平紋織物層合板、多向帶層合板的加工效果。同批試驗中，不同試驗組采用相同規(guī)格的菠蘿銑刀(參數(shù)見表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，銑削長度5600 mm(單件試驗材料的長度為800 mm)，銑削方式均為逆銑，各組試驗參數(shù)見表3(試驗所用轉(zhuǎn)速為某機(jī)型碳纖維擾流片構(gòu)件銑削加工的實際使用轉(zhuǎn)速)。

表3 菠蘿銑刀銑削試驗參數(shù)表

試驗過程中，使用Kistler9527B測力儀測量加工過程中的切削力，并在試驗結(jié)束后，使用VK-X1000形狀測量激光顯示系統(tǒng)、BIJIA500手持式數(shù)碼顯微鏡、POCKET SURF表面粗糙度測量儀對加工表面進(jìn)行形貌觀測，評價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，銑削長度每800 mm進(jìn)行一次觀測，圖2為試驗加工現(xiàn)場。

圖2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試驗現(xiàn)場照片

2 試驗結(jié)果與結(jié)論

2.1 平紋織物層合板試驗結(jié)果

銑削試驗后，對兩類碳纖維層合板的表面形貌進(jìn)行了觀測。對于平紋織物層合板來說表層纖維毛刺隨著刀具切削距離的增長而加劇。圖3為進(jìn)給速度為400 mm/min，不同切削距離L時表層纖維毛刺長度情況?？梢钥闯?，刀具使用初期，碳纖維已加工邊緣的毛刺概率較低，4 mm的視野長度范圍內(nèi)僅出現(xiàn)一處明顯毛刺，毛刺長度0.265 mm。隨著銑削距離的增長，毛刺概率顯著提高，且出現(xiàn)了連續(xù)毛邊的情況，毛刺的最大長度也提高到0.678 mm，呈現(xiàn)出肉眼明顯可見的缺陷，圖4統(tǒng)計了各進(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度統(tǒng)計表

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。對比不同組別刀具在相同切削距離時的毛刺情況，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，切削距離4000 mm時的毛刺長度為0.442 mm，而隨著進(jìn)給速度的提高，相同切削距離下，毛刺的長度也顯著變長，當(dāng)F=3000時，切削距離4000 mm處的毛刺已經(jīng)達(dá)到了1.016 mm的長度，完全不滿足碳纖維輪廓銑削的質(zhì)量要求。圖6統(tǒng)計了各切削距離下不同進(jìn)給速度所對應(yīng)的毛刺情況。

(a)F400時毛刺情況 (b)F800時毛刺情況

(c)F1500時毛刺情況 (b)F3000時毛刺情況圖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)給速度的毛刺長度

2.2 多向?qū)雍习逶囼灲Y(jié)果

CFRP多向?qū)雍习逶诟哌M(jìn)給、長切削距離的條件下，偶有分層缺陷發(fā)生。在試驗條件為進(jìn)速度3000 mm/min，切削距離約等于5200 mm時，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而降低。使用VK-X1000形狀測量激光顯示系統(tǒng)對加工表面進(jìn)行微觀形貌觀測，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，且沿刀具運動方向延伸(如圖9所示)。使用POCKET SURF/Ra=(0.03-6.35) μm粗糙度測量儀測量各進(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，進(jìn)給速度與切削距離對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已加工表面的粗糙度有顯著影響。

圖8 F400、L1600時表面微觀形貌

圖9 F400、L5600時表面微觀形貌

另外，試驗過程中還存在明顯的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料燒灼情況，即刀具銑削長度達(dá)到5000 mm左右時(各組試驗刀具情況略有差異)，加工過程中有青煙產(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

在對多向帶層合板進(jìn)行上述銑削試驗時，受層間強(qiáng)度的影響，試驗過程中，毛刺、撕裂等缺陷大量存在(圖11)，毛刺長度范圍0.755 mm～5.258 mm，毛刺長度與進(jìn)給速度及切削距離之間的相對關(guān)系滿足平紋織物層合板的試驗結(jié)論。同時，已加工表面呈毛絨狀(圖12)，并形成肉眼可見的波紋，已無法測量表面粗糙度，完全不滿足材料加工要求。毛刺長度統(tǒng)計表如圖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度統(tǒng)計表

從試驗情況來看，菠蘿銑刀加工多向帶層合板時，進(jìn)給速度超過3000 mm/min時，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)用價值。綜上所述，菠蘿銑刀銑削存在的問題如圖14所示。

圖14 菠蘿銑刀銑削存在的問題

3 缺陷形成機(jī)理分析

試驗中的加工表面缺陷可以分為兩類：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)于其他兩個方向?qū)用?，層合板通過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，都希望通過改善刀具結(jié)構(gòu)，減少切削時的軸向分力，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，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 菠蘿銑刀對碳纖維束的剪切作用

但由于碳纖維復(fù)合材料在切削過程中，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)，因此加工過程中被切削掉的碳纖維復(fù)合材料無法及時排出。殘留在刀齒間間隙的碳纖維粉塵，導(dǎo)致加工時刀具和零件無法有效散熱；同時，伴隨著切削的進(jìn)行，刀具表面涂覆的金剛石涂層會不斷消耗、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增加樹脂基材料的流動性，一方面會降低零件被切削部位的表面質(zhì)量，也會造成刀具或零件過熱損傷。

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，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 菠蘿銑刀磨損后對纖維束作用的改變

通過以上分析可知，菠蘿銑刀菱形齒形成的剪切作用對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不同形式CFRP層合板進(jìn)行銑削實驗，觀測不同的進(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，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)合材料時表面缺陷的形成過程與機(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)計奠定了理論基礎(chǔ)。