范宜鵬，林有希 ，王林建 ，禹杰 ，黃俊軻

(1.福建開放大學(xué)理工學(xué)院，福建福州350001；2.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108)

0 前言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)因具有輕量化、高強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)異性能，在航天器大飛機(jī)制造、汽車制造、體育器材等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但其各層向異性、纖維層與樹脂間結(jié)合強(qiáng)度低，使它在精密切削過程中易于產(chǎn)生毛刺、撕裂等缺陷問題[3-4]。隨著高新微細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步，毛刺缺陷問題在加工中得到很大的改善，但細(xì)微毛刺的存在依然是制約精密加工質(zhì)量的瓶頸[5]。為此，毛刺去除工藝方法和去除機(jī)制成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，并取得一系列研究成果。

XU等[6]采用超聲振動(dòng)銑削，通過試驗(yàn)并結(jié)合理論計(jì)算和單纖維去除模擬，從摩擦、應(yīng)變率和材料去除機(jī)制方面分析了毛刺去除機(jī)制和毛刺數(shù)量抑制。HUSSEIN等[7]采用高頻振動(dòng)輔助加工對(duì)CFRP/Ti6Al4V復(fù)合材料鉆孔分層試驗(yàn)，較好地抑制毛刺形成的同時(shí)降低金屬殘余應(yīng)力的生成。楊小璠等[8]設(shè)計(jì)不同幾何結(jié)構(gòu)立銑刀對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行側(cè)銑試驗(yàn)，結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)后的刀具的幾何結(jié)構(gòu)能顯著抑制工件表面毛刺的產(chǎn)生。陳雪梅等[9]利用不同側(cè)傾角度刀具對(duì)CFRP復(fù)合材料進(jìn)行側(cè)傾銑削試驗(yàn)，結(jié)果表明刀具側(cè)傾角度為20°時(shí)毛刺抑制效果最為顯著。林有希等[10]采用超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金涂層立銑刀對(duì)CFRP復(fù)合材料進(jìn)行高線速度切削銑槽試驗(yàn)，結(jié)果表明高線速度切削加工能顯著降低切削力和毛刺的長(zhǎng)度，但高線速度切削也加劇了后刀面的磨損速度，縮短了刀具的壽命。除此之外，還有不少學(xué)者通過優(yōu)化切削參數(shù)和在切削過程中采用超低溫切削冷卻方式加工等方法[11-14]去除毛刺，以提高加工精度。

基于碳纖維復(fù)合材料在高速切削過程中易產(chǎn)生細(xì)微毛刺的問題，本文作者提出一種幾何結(jié)構(gòu)粗精交錯(cuò)刃的立銑刀具，用于碳纖維復(fù)合材料的高速銑槽加工。通過對(duì)切削力、毛刺因子、表面粗糙度的分析，驗(yàn)證粗精交錯(cuò)立銑刀對(duì)毛刺抑制有顯著作用，試驗(yàn)結(jié)果也為CFRP精密加工刀具的選用提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)刀具

試驗(yàn)選用新型四刃硬質(zhì)合金涂層粗精交錯(cuò)立銑刀(Ⅰ型刀具)與常規(guī)AlTiN涂層硬質(zhì)合金立銑刀(Ⅱ型刀具)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。新型粗精交錯(cuò)立銑刀為四刃銑刀，其刀刃由一對(duì)精磨刃與一對(duì)齒形波形刃交錯(cuò)構(gòu)成，如圖1所示。試驗(yàn)中所采用的兩種銑削刀具除切削刃結(jié)構(gòu)外，其余刀具參數(shù)均相同。刀具參數(shù)如表1所示，刀具實(shí)物如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)刀具

表1 AlTiN涂層刀具參數(shù)

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)所選用的試件材料為T300型CFRP層合板，其基體材料為環(huán)氧樹脂。試件材料纖維方向角θ分別為45°、90°以及135°，其力學(xué)性能如表2所示。

表2 T300型CFRP力學(xué)性能

試驗(yàn)采用五軸立式銑床KMC600U進(jìn)行CFRP高速銑削，該加工中心最大轉(zhuǎn)速為18 000 r/min；加工過程采用Kistler9257B測(cè)力儀實(shí)時(shí)采集切削力信號(hào)，并用Dynoware軟件對(duì)切削力信號(hào)進(jìn)行分析處理。采用Leica M205FA體視顯微鏡對(duì)加工表面毛刺分布和長(zhǎng)度進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)采集及測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集及測(cè)量系統(tǒng)

1.3 毛刺缺陷的評(píng)價(jià)

采用毛刺長(zhǎng)度因子法對(duì)側(cè)槽邊上的毛刺缺陷進(jìn)行評(píng)定。定義毛刺長(zhǎng)度因子η為選定穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)毛刺長(zhǎng)度總和與區(qū)域長(zhǎng)度的比值，表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中：ai為選定區(qū)域內(nèi)各毛刺的長(zhǎng)度；L為選定樣本毛刺長(zhǎng)度最嚴(yán)重區(qū)域(此試驗(yàn)取L=10 mm)。

1.4 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究粗精交錯(cuò)立銑刀對(duì)CFRP銑削加工質(zhì)量的效果。采用干切削的方法，為避免刀具磨損對(duì)加工質(zhì)量的影響，應(yīng)控制刀具后刀面在正常磨損范圍內(nèi)，后刀面磨損量應(yīng)小于0.2 mm，每次銑削長(zhǎng)度為100 mm；試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取5組穩(wěn)定區(qū)域取樣，以減少偶然誤差。試驗(yàn)參數(shù)：切削速度320 m/min，每齒進(jìn)給量0.02 mm，徑向切削深度2 mm，軸向切削深度1.5 mm，銑削方式為逆銑。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 表面毛刺分析

分別利用兩種刀具對(duì)各纖維角度的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行逆銑加工，加工后工件斷口處質(zhì)量對(duì)比如圖3所示。

圖3 毛刺形成情況

由圖3可以看到：采用普通立銑刀加工工件表面時(shí)存在較為嚴(yán)重的毛刺現(xiàn)象，纖維方向角θ=45°時(shí)工件斷口處表面出現(xiàn)細(xì)短且稀疏的毛刺，在毛刺根部未發(fā)現(xiàn)撕裂現(xiàn)象；θ=90°時(shí)，工件斷口處表面上出現(xiàn)間斷較密集的毛刺群，且觀測(cè)到在表層纖維層靠近毛刺根部存在輕微的撕裂和拉絲現(xiàn)象；θ=135°時(shí)，工件斷口處表面上觀測(cè)到嚴(yán)重的成片狀的毛刺缺陷和撕裂現(xiàn)象，工件已到達(dá)報(bào)廢的標(biāo)準(zhǔn)；而采用粗精交錯(cuò)立銑刀精銑時(shí)，槽邊表面質(zhì)量良好，均符合加工精度要求，表面毛刺缺陷得到極大的改善，纖維方向角θ=45°和θ=90°時(shí)，加工槽兩邊表面上未觀察到毛刺的存在；θ=135°時(shí)，加工槽邊表面處觀察到稀疏薄片狀且細(xì)長(zhǎng)的毛刺缺陷。由此可知：粗精交錯(cuò)立銑刀的特殊造型能有效地抑制毛刺和撕裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖4所示為兩種銑削刀具與毛刺因子變化的關(guān)系?？芍翰捎么志诲e(cuò)立銑刀加工的工件毛刺因子顯著下降；相較于常規(guī)硬質(zhì)合金立銑刀而言，纖維方向角θ=45°時(shí)采用粗精交錯(cuò)立銑刀后毛刺因子平均值下降91.04%；θ=90°時(shí)毛刺因子平均值下降82.97%；θ=135°毛刺因子平均值下降70.90%。采用粗精交錯(cuò)立銑刀加工工件斷口處質(zhì)量得到極大的提升，這是由于刀具特殊的幾何結(jié)構(gòu)使得在齒形的刀刃旋轉(zhuǎn)切削進(jìn)給過程中，纖維層纖維出現(xiàn)上下翻邊現(xiàn)象，即齒刃部分的纖維向下，空齒表層纖維沿著切削刃向上翹起“避讓”，出現(xiàn)上下交錯(cuò)的纖維層分布，并被緊隨其后的精磨刃直接剪切斷，進(jìn)而抑制毛刺缺陷。

圖4 毛刺因子變化曲線

2.2 銑削軸向力分析

在CFRP銑削過程中，影響毛刺產(chǎn)生的主要因素是軸向的銑削分力。為獲得較好的表面質(zhì)量，應(yīng)使Fz盡可能小[5]。采用測(cè)力儀分別對(duì)2種刀具加工過程的銑削軸向力Fz信號(hào)進(jìn)行采集，分別得到3種纖維鋪層方向的銑削力信號(hào)，如圖5、圖6所示。

圖5 普通立銑刀銑削力信號(hào)

圖6 粗精交錯(cuò)立銑刀銑削力信號(hào)

由圖5可以看到：采用普通立銑刀對(duì)CFRP進(jìn)行銑削加工時(shí)，銑削力Fz波形相對(duì)平穩(wěn)，穩(wěn)定峰值之間差距甚微，且各間隔波形一致呈周期性變化。由圖6可知：粗精交錯(cuò)立銑刀銑削力Fz波形出現(xiàn)完全不一致的分布，第一次負(fù)峰值波谷先急速下降保持一段時(shí)間，隨后進(jìn)入第二個(gè)波峰，最后急速斷崖式下降至第二個(gè)較小波谷。這是由于粗精交錯(cuò)立銑刀的齒形波紋刃、精磨刃交替切削導(dǎo)致的。對(duì)比兩種刀具波形圖可知精磨刃切削力信號(hào)與普通立銑刀峰值規(guī)律保持一致，齒形波紋刃刀具結(jié)構(gòu)改善了切削過程纖維與刀具受力分布情況，提高了纖維層間的支撐強(qiáng)度，進(jìn)而使切削力波峰值顯著下降。因此，采用粗精交錯(cuò)立銑刀能有效降低銑削過程平均銑削力Fz，有效抑制毛刺的生成。

由圖7可知：采用粗精交錯(cuò)立銑刀對(duì)CFRP試件進(jìn)行逆銑加工時(shí)，各個(gè)纖維方向角下銑削軸向力Fz均呈下降的趨勢(shì)，相比于常規(guī)硬質(zhì)合金立銑刀而言，采用粗精交錯(cuò)立銑刀后，纖維方向角θ=45°時(shí)銑削力幅值最小，銑削力Fz平值下降20.93%；纖維方向角θ=90°時(shí)次之，銑削力Fz平均值下降17.74%；θ=135°時(shí)銑削力幅值最大，但銑削力Fz平均值僅下降5.78%。

圖7 銑削力Fz變化曲線

圖7說明纖維方向角θ=135°時(shí)，新型粗精交錯(cuò)立銑刀對(duì)銑削力Fz改善效果較不明顯。從軸向力分析結(jié)果來看，粗精交錯(cuò)立銑刀加工能有效減少銑削力，進(jìn)而改善表層纖維彎曲變形的程度，以大幅度抑制毛刺的產(chǎn)生。

2.3 表面粗糙度分析

粗精交錯(cuò)立銑刀特殊造型設(shè)計(jì)主要目的是為了抑制毛刺缺陷產(chǎn)生，同時(shí)必須保證工件斷口處表面粗糙度符合加工要求。加工試驗(yàn)后，對(duì)各纖維方向角下的工件銑削斷口處表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 工件表面粗糙度對(duì)比

從圖8可見，無論采用那種銑削刀具，纖維方向角θ為45°及90°的加工表面粗糙度Ra值均較小。相比于常規(guī)銑刀；纖維方向角θ=45°時(shí)，在采用粗精交錯(cuò)立銑刀后工件表面粗糙度Ra平均值下降8.62%，纖維方向角θ=90°工件表面粗糙度Ra平均值下降僅為4.65%，兩種纖維角度槽側(cè)邊表面粗糙度均較小，為2.38～5.49 μm，能滿足加工要求；而纖維方向角θ=135°時(shí)，工件表面粗糙度Ra平均值下降4.6%，但粗糙度Ra值較大為9.89～16.49 μm，遠(yuǎn)超出合格標(biāo)準(zhǔn)。從圖8還發(fā)現(xiàn)纖維方向角θ=135°的工件表面的粗糙度Ra急劇增加，相比θ=90°的工件表面粗糙度Ra，發(fā)現(xiàn)兩種刀具的加工工件表面粗糙度Ra分別增加了397.1%和394.9%，表面粗糙度Ra已遠(yuǎn)超出合格標(biāo)準(zhǔn)。通過觀察纖維方向θ=90°和θ=135°的工件切削表面SEM圖，如圖9所示。

由圖9可知，纖維方向角θ=90°時(shí)，纖維的切削表面斷口較平整、斷口處出現(xiàn)微小的凹坑。這是因?yàn)棣?90°時(shí)，切削過程纖維根部有樹脂的支撐，其強(qiáng)度和剛度較大，纖維容易被切斷且不易被拔出或者變形。θ=135°時(shí)，纖維的切削表面斷口不平整，斷口處出現(xiàn)較多不規(guī)則的凹坑且凹坑較深。出現(xiàn)這種反差現(xiàn)象主要是因?yàn)槔w維方向角θ=135°時(shí)，纖維方向順著刀具切削的方向產(chǎn)生“讓刀”現(xiàn)象，使得刀刃在剪切過程失去支撐作用，纖維與刀刃之間存在間隙，趨于分離狀態(tài)，纖維發(fā)生彎曲變形并沒有被切斷，待刀具進(jìn)給離開后，纖維彈性形變恢復(fù)；其次是θ=135°時(shí)刀具進(jìn)給過程中纖維不僅受到剪切應(yīng)力的作用，同時(shí)纖維在刀具后刀面擠壓摩擦作用下存在拉伸應(yīng)力的作用，使得部分纖維被拉出，因此在工件表面出現(xiàn)毛刺缺陷和凹凸不平的坑洼形貌，導(dǎo)致粗糙度急劇上升。

圖9 Ⅰ型刀具切削碳纖維表面SEM圖

2.4 毛刺抑制機(jī)制分析

毛刺的形成主要是因?yàn)楦哂捕鹊奶祭w維增強(qiáng)體與高韌性的樹脂基體層間，兩相材料性能差異極大，使得材料在表層之間的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度較低，工件表面纖維層材料為讓刀向上翹起，不易被刀刃切斷而形成毛刺缺陷。

圖10(a)所示為精磨刃斜角切削示意圖?？梢钥吹剑旱毒呗菪堑拇嬖趯?dǎo)致存在沿刀具軸向向上的銑削力Fz；在向上軸向力的作用下，纖維層向上翹起讓刀，而表層碳纖維由于缺少樹脂基體的支撐保護(hù)作用，使碳纖維向上掀起成為可能，掀起的碳纖維則發(fā)生彎曲變形不易被切斷，隨著刀刃前進(jìn)，這部分纖維恢復(fù)原狀形成毛刺缺陷。

粗精交錯(cuò)立銑刀具有獨(dú)特的切削刃結(jié)構(gòu)，圍繞粗精交錯(cuò)立銑刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其毛刺抑制機(jī)制進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：粗精交錯(cuò)立銑刀銑削過程為精磨刃與齒形波紋刃交替切削狀態(tài)，齒形波紋刃切削過程如圖10(b)所示，當(dāng)齒形波紋刃進(jìn)行切削時(shí)，由于刀具特殊的幾何結(jié)構(gòu)使得纖維層在齒形的刀刃旋轉(zhuǎn)切削推進(jìn)過程中，纖維出現(xiàn)上下翻邊現(xiàn)象，即齒刃部分的纖維向下，空齒表層纖維沿著切削刃向上翹起“避讓”。這一方面使得切削過程同時(shí)產(chǎn)生向上和向下的軸向力，降低了軸向力大??；另一方面使得纖維表層出現(xiàn)上下交錯(cuò)的纖維層分布，隨著刀具的推進(jìn)，這些上下交錯(cuò)的纖維層并沒有及時(shí)恢復(fù)原狀，隨著刀具旋轉(zhuǎn)精磨刃進(jìn)入切削區(qū)域，翹起的纖維被從不同方向上切斷。正是由于粗精交錯(cuò)立銑刀具獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，刀具在銑削過程中能夠顯著改變纖維層的受力空間分布，使得銑削軸向力峰值下降，同時(shí)改變表層纖維分布特征，能更高效地被刀刃剪斷，進(jìn)而抑制毛刺的產(chǎn)生。

圖10 CFRP銑削示意

3 結(jié)語

本文作者針對(duì)CFRP材料在銑削加工過程中易產(chǎn)生毛刺缺陷的問題，提出一種旨在減少CFRP銑削毛刺的粗精交錯(cuò)立銑刀，并與普通銑刀進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)通過觀測(cè)加工表面，采用粗精交錯(cuò)立銑刀銑削時(shí)，3種纖維方向角度的銑削表面毛刺均得到一定程度的抑制；θ=45°時(shí)，毛刺抑制效果最優(yōu)，毛刺因子平均值下降達(dá)到91.04%；θ=90°時(shí)次之，毛刺因子平均值下降達(dá)到82.97%；θ=135°時(shí)，毛刺抑制效果最差，毛刺因子平均值下降70.90%；

(2)在銑槽過程中采用粗精交錯(cuò)立銑刀，切削力信號(hào)波形出現(xiàn)峰值呈交替變大變小的現(xiàn)象，第一次負(fù)峰值波谷先急速下降保持一段時(shí)間，隨后進(jìn)入第二個(gè)波峰，最后急速斷崖式下降至第二個(gè)較小波谷，這種切削力波形交替變化現(xiàn)象，使各纖維方向角銑削力Fz平均值依次下降20.93%、17.74%和5.78%；

(3)在銑槽過程中采用粗精交錯(cuò)立銑刀，纖維方向角θ為45°及90°時(shí)，槽側(cè)邊表面粗糙度較小，Ra為2.38～5.49 μm，能滿足加工要求，而θ=135°時(shí)，工件表面的粗糙度急劇增加，其Ra為9.89～16.49 μm，遠(yuǎn)超出合格標(biāo)準(zhǔn)；

(4)粗精交錯(cuò)立銑刀齒形波紋刃與精磨刃交錯(cuò)分布的結(jié)構(gòu)減小了銑削碳纖維復(fù)合材料時(shí)的軸向力，同時(shí)改變了表層纖維分布特征，能更高效地被剪斷，進(jìn)而抑制毛刺的產(chǎn)生。