鄒 凡，王賢鋒，張烘州，安慶龍

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

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因其優(yōu)異的性能得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在航空領(lǐng)域[1–2]。在實(shí)際應(yīng)用中，制孔和切邊是最廣泛的機(jī)械加工形式。CFRP復(fù)合材料因其具有各向異性和非均質(zhì)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(fù)合材料采用熱固性樹脂作為基體，其在較高的溫度下會(huì)發(fā)生不可逆的玻璃化轉(zhuǎn)變[4]。在機(jī)械加工過程中，切削量較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的切削熱，導(dǎo)致較高的切削溫度，從而降低加工質(zhì)量，影響使用性能[5]。這就限制了CFRP復(fù)合材料的加工效率。

CFRP復(fù)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(huì)影響?zhàn)そ有阅?，含水量較高的CFRP復(fù)合材料膠接時(shí)連接強(qiáng)度較低[6]。因此，在CFRP復(fù)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(diǎn)。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(zhì)。但是，LN2和LCO2通常采用浸泡和噴射的方式進(jìn)行冷卻，冷卻介質(zhì)用量較大，同時(shí)過低的溫度可能對材料產(chǎn)生負(fù)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(diǎn)是臨界條件容易達(dá)到，化學(xué)性質(zhì)不活潑，無色無味無毒，價(jià)格低廉。通過合理設(shè)計(jì)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(yīng)發(fā)生等焓環(huán)境下自由膨脹，從而導(dǎo)致溫度迅速下降（可達(dá)約–76℃）,成為近年來低溫切削冷卻介質(zhì)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(yàn)證明其良好的效果。梁旭等[10]進(jìn)行了包括干切和超臨界二氧化碳冷卻在內(nèi)的多種冷卻潤滑方式下的鈦合金銑削試驗(yàn)，結(jié)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(xiàn)狀?，F(xiàn)有的研究中，國內(nèi)外學(xué)者主要將超臨界二氧化碳冷卻技術(shù)應(yīng)用于金屬材料的切削加工，缺少應(yīng)用于復(fù)合材料加工的研究。

切削溫度給CFRP復(fù)合材料的加工帶來了挑戰(zhàn)。過高的溫度會(huì)造成嚴(yán)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(zhì)中，scCO2因其價(jià)格低廉、環(huán)境友好、使用方便，是一個(gè)很好的選擇。

本研究進(jìn)行了干切和低溫切削條件下不同切削參數(shù)的CFRP銑削試驗(yàn)，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(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)，對切削參數(shù)（切削速度和進(jìn)給速度）的影響也進(jìn)行了討論。

試驗(yàn)材料及方法

采用T800/X850碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料作為工件材料，尺寸為300mm×200mm×6mm。T800/X850碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是以X850環(huán)氧樹脂為基體、T800高強(qiáng)度碳纖維為增強(qiáng)材料的一種復(fù)合材料。試驗(yàn)中使用的T800/X850復(fù)合材料共有32個(gè)鋪層，鋪層方向?yàn)椋篬45/0/0/–45/0/90/0/0/90/0/–45/0/0/45]s。T800/X850復(fù)合材料的組成和力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 T800/X850 CFRP復(fù)合材料組成Table 1 Composition of T800/X850 CFRP

表2 T800/X850 CFRP復(fù)合材料力學(xué)性能Table 2 Mechanical performance of T800/X850 CFRP

試驗(yàn)所用刀具為SECO復(fù)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(shè)計(jì)是為了降低復(fù)合材料加工中的分層損傷。基體材質(zhì)為硬質(zhì)合金，采用化學(xué)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(shù)等特點(diǎn)，適用于加工CFRP等復(fù)合材料。

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

常溫常壓下的CO2氣體通過氣泵被進(jìn)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(yīng)，在等焓環(huán)境下自由膨脹導(dǎo)致溫度迅速下降（大約–76℃），氣態(tài)二氧化碳/干冰顆?；旌蠂娙肭邢鲄^(qū)。本研究中scCO2低溫冷卻采用外冷的方式，兩個(gè)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(jīng)測量約為–76℃。

圖2給出了CFRP層合板銑邊試驗(yàn)的現(xiàn)場照片。試驗(yàn)在HURCO VMX42三軸立式加工中心上進(jìn)行。機(jī)床最大主軸轉(zhuǎn)速12000r/min，定位精度0.01mm，重復(fù)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(yàn)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Setup of milling experiment

試驗(yàn)中，采用側(cè)銑的方法進(jìn)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(hào)，采集頻率設(shè)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(lán)牙無線連接，方便進(jìn)行切削信號(hào)的采集，同時(shí)適用于工業(yè)生產(chǎn)的智能加工場景。采用FLIR A615紅外熱像儀實(shí)時(shí)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(yàn)需要。

采用全因素試驗(yàn)的方法，研究切削速度、進(jìn)給量、冷卻方式對CFRP復(fù)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(diǎn)研究低溫切削環(huán)境對CFRP復(fù)合材料加工的影響。試驗(yàn)過程中，每組試驗(yàn)參數(shù)共做3次重復(fù)試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)取平均值。表3給出了銑削試驗(yàn)中采用的加工參數(shù)。

表3 切削試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Test parameters of milling experiment

在試驗(yàn)結(jié)束后，利用MIRA3–TESCAN掃描電鏡觀察了不同加工參數(shù)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(jì)算了表面粗糙度。

結(jié)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(dāng)前的加工狀況。圖3給出了線速度為25m/min時(shí)切削彎矩在X和Y方向的極坐標(biāo)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(fù)合材料切削過程中重要的指標(biāo)，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(gè)狀態(tài)。選取平穩(wěn)銑削階段的切削彎矩進(jìn)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(shù)的變化情況，可以看出切削彎矩隨著進(jìn)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(jìn)給量增大，銑削時(shí)每齒切削厚度增大，銑削彎矩隨之增大。主軸轉(zhuǎn)速提高，銑削力有一定的下降趨勢，這是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速提高后，切削剪切角增大，導(dǎo)致剪切面減小，工件所需的銑削力也有一定的減小。同時(shí)，隨著銑削速度提高，銑削溫度會(huì)有一定的升高，導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低，變形系數(shù)減小，故單位面積切削彎矩會(huì)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(fù)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(xiàn)中關(guān)于切削力變化情況的結(jié)論一致[12]。這是由于低溫下CFRP復(fù)合材料的強(qiáng)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(xiàn)象被避免，低溫切削中碳纖維和樹脂基體間界面結(jié)合力顯著高于干切時(shí)的結(jié)合力。低溫切削中較高的界面結(jié)合力導(dǎo)致纖維斷裂機(jī)理發(fā)生一定的改變，從彎曲斷裂部分轉(zhuǎn)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(shù)的變化情況Fig.4 Variation of bending moment under different cutting parameters

2 切削溫度

在復(fù)合材料銑削中，切削溫度是重要的過程物理量，因?yàn)樗鼤?huì)對復(fù)合材料的表面質(zhì)量和刀具壽命產(chǎn)生很大影響。此外，加工溫度過高也會(huì)導(dǎo)致基體材料的軟化，降低層間的強(qiáng)度，影響加工后產(chǎn)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(shù)為切削速度50m/min，進(jìn)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(dá)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(chǎn)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(jìn)給速度的變化情況?？梢钥闯鲈诘蜏乩鋮s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(jīng)達(dá)到玻璃化溫度，而低溫切削中切削溫度遠(yuǎn)低于玻璃化溫度，避免了復(fù)合材料在加工中的熱損傷。就切削參數(shù)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(jìn)給速度的提高表現(xiàn)出上升的趨勢，其中切削速度的影響更為顯著。當(dāng)每齒進(jìn)給量保持不變時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)刀具和工件之間的摩擦長度會(huì)隨著切削速度的增大而增加，使得加工過程中的總產(chǎn)熱量增加，切削溫度相應(yīng)地也會(huì)升高。進(jìn)給量提高時(shí)，單位時(shí)間去除了更多的材料，切削能耗提高顯著，其中一部分轉(zhuǎn)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(shù)的變化Fig.6 Variation of maximum cutting temperature under different cutting parameters

3 表面質(zhì)量

CFRP復(fù)合材料的表面完整性主要取決于工藝參數(shù)（切削速度、進(jìn)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(biāo)。對試驗(yàn)中所有樣品的面粗糙度進(jìn)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(jìn)給速度的變化情況?？梢钥闯鏊袇?shù)下低溫切削產(chǎn)生的表面質(zhì)量均得到明顯提高。其中，Sa最大降幅達(dá)到27%。低溫冷卻改變了材料的物理性質(zhì)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(fù)合材料中碳纖維的脆性，同時(shí)保持了銑刀的鋒利度，并顯著降低了熱損傷。結(jié)果表明，在本研究所采用的低溫條件下表面質(zhì)量較好，表現(xiàn)出更好的切削參數(shù)適應(yīng)性。就切削參數(shù)對表面粗糙度影響而言，干切和低溫條件下隨著進(jìn)給速度的增加，粗糙度呈現(xiàn)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(shù)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(jìn)行觀察得到的結(jié)果。可以看出，纖維方向?qū)Ρ砻嫘蚊灿兄鴺O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(jī)理有關(guān)。對比低溫切削和干切的表面可以看出，表面質(zhì)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(jī)理的改變有關(guān)。在低溫下，樹脂的熱軟化效應(yīng)被避免，碳纖維的纖維脆性提高。

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

結(jié)論

本文對T800/X850 CFRP復(fù)合材料進(jìn)行了在干切和低溫切削條件下的銑削試驗(yàn)。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(jié)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(zhì)量。

（2）高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給和低溫冷卻的組合在改善CFRP復(fù)合材料加工質(zhì)量的同時(shí)提高了加工效率。

（3）在干切和低溫切削中，切削參數(shù)對切削過程的影響規(guī)律類似。