駱迎昕，梁青霄，候國義，曹思鵬

（1.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089；2.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）是航空制造領(lǐng)域首選高性能材料。其構(gòu)件多采用“近形”方式以減少機(jī)械加工損傷，但是由于裝配需要，以鉆削為主的二次加工難以避免[1]。加工中刃口–材料接觸界面會受到熱–機(jī)械載荷作用[2–3]而使加工表面急劇惡化，嚴(yán)重影響性能與壽命。

直角切削是CFRP 加工刀具設(shè)計(jì)的主要參考[4]。在切削中刃圓擠壓、切斷材料，斷裂材料沿前刀面滑出形成切削。Wang 等[5]針對刀具幾何參數(shù)，分析了切削后表面形貌、回彈作用、切削力等關(guān)鍵量。Wang[6]和Madhavan[7]等開展了圓盤切削試驗(yàn)，認(rèn)為切削力隨纖維切削角（Fiber cutting angle，F(xiàn)CA）發(fā)生周期變化，在90°處取得極值且有表面孔洞出現(xiàn)；“側(cè)銑加工”能有效抑制孔洞。目前，F(xiàn)CA的影響已明確[8–10]，即隨FCA變化，纖–基界面脫黏、纖維不同斷裂形式單獨(dú)或相伴發(fā)生[11]，進(jìn)而形成損傷。

根據(jù)孟慶勛[12]的研究，切削形成次表面對結(jié)構(gòu)性能影響巨大；同時(shí)考慮到不同F(xiàn)CA 下加工表面溫度不同會進(jìn)一步影響加工后CFRP 性能。但針對次表面損傷和加工溫度的工藝參數(shù)影響分析、刀具設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)選擇仍然較少。因此，基于紅外熱像技術(shù)，開展不同F(xiàn)CA下的CFRP 直角切削試驗(yàn)，旨在研究刀具前角γ、后角β、切深對切削機(jī)理、切削力、加工溫度以及次表面的影響。

1 切削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)用材料及工藝參數(shù)

試驗(yàn)材料為單向?qū)雍习澹║D CFRP），增強(qiáng)相為東麗T700 碳纖維，基體為TDE–85 環(huán)氧樹脂。表1 為T700/TDE–85 型CFRP 的性能參數(shù)。UD CFRP 單層預(yù)浸料厚0.145 mm，采用高溫模壓成型技術(shù)。試驗(yàn)件尺寸為52 mm×45 mm×3.2 mm，切削長度為45 mm。為研究不同F(xiàn)CA 下切削機(jī)理，將FCA 設(shè)置為0°（180°）、90°，順纖維切削30°、60°和逆纖維切削120°、150°[6]。在切速恒定下采用3 種規(guī)格刀具（T1、T2、T3）、3 種切深進(jìn)行試驗(yàn)，具體參數(shù)見表2。溫度由Optric PI450 紅外相機(jī)測得，具體參數(shù)如表3所示。

表1 UD CFRP（T700/TDE–85）性能參數(shù)Table 1 Mechanical properties of UD CFRP(T700/TDE–85)

表2 切削試驗(yàn)工藝參數(shù)Table 2 Cutting parameters for cutting experiment

表3 紅外相機(jī)（Optric PI450）測量參數(shù)Table 3 Measurement parameters of Optric PI450 infrared camera

1.2 切削試驗(yàn)系統(tǒng)組成

圖1（a）為切削試驗(yàn)平臺（JDCT1200E_A12S），圖1（b）為切削刀具。UD CFRP 試件通過夾具夾持露出5 mm 加工區(qū)。夾具連接在奇石樂9257A 測力儀上，水平Y(jié)為切削方向，豎直Z為切削抗力方向。力信號通過電荷放大器處理為±10 V 的電壓信號，存在HBM GEN2i 中。為保證加工表面溫度測量準(zhǔn)確，紅外相機(jī)通過滑臺與夾具相連，使其軸線垂直測量面。相機(jī)與電腦相連通過PI Connect 軟件進(jìn)行溫度采集、處理與輸出。圖1（c）為典型切削區(qū)域熱成像圖。加工表面采用冷鑲樣法[12]進(jìn)行制樣，并利用VEGA 3 LMU 型掃描電子顯微鏡觀測。

圖1 CFRP 切削試驗(yàn)平臺、切削刀具和典型切削區(qū)域熱成像圖Fig.1 Cutting experiment layout,cutting tool and typical infrared image of cutting area

2 結(jié)果與討論

2.1 不同纖維切削角下的材料去除行為

CFRP 屬于典型的各向異性材料，其加工過程的切削行為與成屑方式主要是由纖–基界面脫黏、纖維變形以及斷裂共同決定，不同F(xiàn)CA 下的成屑機(jī)理與次表面成形受不同機(jī)理控制。

圖2 為不同F(xiàn)CA（θ）下材料去除示意圖。FCA=0°（180°）時(shí)，刀尖對待切區(qū)產(chǎn)生沿纖維方向擠壓力Fσ，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度，最下層纖維與基體剝離形成層間剝離型切削。在FCA=90°時(shí)，刀尖觸擠壓纖維產(chǎn)生剪切力Fτ，纖維脫黏并沿纖維向下擴(kuò)展，切應(yīng)力逐漸達(dá)到纖維剪切強(qiáng)度使纖維發(fā)生斷裂，形成剪切斷裂型切削。順纖維切削，纖維受壓形成沿纖維分力Fσ和垂直纖維分力Fτ；隨著剪切應(yīng)力增加并達(dá)到纖維剪切強(qiáng)度，纖維被切斷并在前刀面推擠下達(dá)到基體剪切極限，形成剪切–滑移型切削。逆纖維切削時(shí)，切削機(jī)理與前角有關(guān)[9，13]。即當(dāng)FCA<90°+γ時(shí)，刀尖首先與待切削區(qū)域接觸并產(chǎn)生垂直纖維的分力Fτ和沿纖維分力Fσ，纖維在擠壓作用下達(dá)到基體強(qiáng)度極限并發(fā)生纖–基界面脫黏，而后在Fτ作用下纖維率先達(dá)到極限強(qiáng)度并發(fā)生彎折斷裂。當(dāng)FCA>90°+γ時(shí)，纖維首先與刀具前刀面上一點(diǎn)接觸，纖維達(dá)到極限強(qiáng)度發(fā)生彎折斷裂，斷裂纖維沿前刀面滑動，隨后纖維端部與前刀面接觸，并隨刀具進(jìn)給發(fā)生彎折斷裂；如此循環(huán)直至刀尖與纖維接觸，發(fā)生與FCA<90°+γ時(shí)相同的斷裂過程，最終形成彎折斷裂型切削。

圖2 不同纖維切削角下的切削材料去除行為示意圖Fig.2 Diagram of CFRP cutting behaviors at different fiber cutting angles

圖3 為不同F(xiàn)CA 下切削力，0–Fy和0–Fz分別代表FCA=0 的主切削力與切削抗力，其他符號依此類推。由于刀具–工件接觸狀態(tài)變化，切削力在穩(wěn)定階段隨纖維斷裂發(fā)生周期性變化。變化周期與峰值反映了不同F(xiàn)CA 下材料去除方式[14]。FCA=0°（180°）時(shí)，CFRP以界面脫黏形式去除，由于基體強(qiáng)度低，0–Fy明顯低于以剪切–滑移為主的30°–Fy和60°–Fy。在FCA=90°時(shí)，由于纖維剪切強(qiáng)度高，90°–Fy峰值達(dá)400 N，遠(yuǎn)超其他。逆纖維切削時(shí)，主切削力因?yàn)閺澱蹟嗔讯^劇烈波動?？紤]到T2 前角γ=35°，F(xiàn)CA=120°時(shí)材料去除機(jī)理以FCA<90°+γ時(shí)的彎折斷裂為主，即纖維與刀尖接觸并彎曲折斷，由于刀尖直接作用于纖維，纖維不必發(fā)生較大彎曲即斷裂，造成120°–Fy波動周期較150°–Fy短，但數(shù)值高于150°–Fy。

圖3 不同纖維切削角下典型切削力變化（T2，切深150 μm）Fig.3 Typical cutting force variations at different fiber cutting angles(T2,cutting depth 150 μm)

切削抗力Fz反映了后刀面與加工表面的接觸狀態(tài)。由圖3 可知，脫黏使得刀具后刀面與加工表面纖維擠壓并穩(wěn)定接觸，因此0–Fz和30°–Fz波動較小。FCA=60°和90°時(shí)，纖維剪切斷裂占主導(dǎo)，60°–Fz和90°–Fz波動較大，但相比較大抗力仍較為穩(wěn)定。FCA=120°和150°時(shí)，彎折斷裂成屑使纖維在切削面下斷裂，后刀面與加工表面接觸極不穩(wěn)定，120°–Fz和150°–Fz發(fā)生劇烈變化。同時(shí)，120°–Fz和150°–Fz遠(yuǎn)小于其他FCA 下的切削抗力，這是由于彎折斷裂面回彈小，使得后刀面與彎折斷裂形成的鋸齒狀表面的摩擦減小，緊密接觸時(shí)間較短造成的。

2.2 工藝參數(shù)對切削力的影響

圖4 和5 分別為給定切深和刀具參數(shù)條件下得到的最大切削力隨FCA 變化曲線。由于纖維剪切強(qiáng)度較脫黏與纖維彎曲強(qiáng)度大，主切削力Fy往往在FCA=60°或90°時(shí)取得極值。

對比圖4 中T1 和T2 可知，F(xiàn)y和Fz最大值隨著γ增大呈現(xiàn)出減小趨勢，相同切深下T1 切削力幾乎全部大于T2。這是由于γ增大減小了前刀面對纖維的推擠作用進(jìn)而減小了主切削力；而推擠作用減小使得被擠壓纖維減少，導(dǎo)致切削抗力減小。對比刀具T2 和T3 可知，F(xiàn)y和Fz最大值隨著β的增加明顯減小。這是由于β增大，后刀面對加工面擠壓作用減小，進(jìn)而減小了切削抗力；同時(shí)β增大使摩擦力減小，造成主切削力減小。

在圖5（a）中，隨著切深增加主切削力Fy明顯增大。這主要是因?yàn)榍猩罴哟罅宋辞袇^(qū)域?qū)τ诒磺欣w維的支撐作用，進(jìn)而增大了主切削力。對于切削抗力Fz最大值，F(xiàn)CA ≤90°時(shí)，隨著切深增加Fz同樣增大。這是因?yàn)榻缑婷擆ず屠w維剪切斷裂主導(dǎo)材料去除，加工表面與后刀面接觸緊密，切深增加增大回彈作用，進(jìn)而增大切削抗力。而逆纖維切削時(shí)，彎折斷裂使纖維往往在切削平面下斷裂，使得后刀面與加工面接觸力很小且極不穩(wěn)定，因此Fz并未隨切深增大而表現(xiàn)出明顯變化規(guī)律。

2.3 工藝參數(shù)對切削溫度的影響

CFRP 切削熱主要源于刀具–材料摩擦、基體斷裂，并通過切削和刀具散失。加工后通常表面質(zhì)量是重點(diǎn)。因此根據(jù)試驗(yàn)測的加工表面溫度峰值，并繪制在圖6中，以研究不同參數(shù)下溫度隨FCA 的變化。與切削力隨FCA 變化規(guī)律一致，溫度的峰值同樣在FCA=60°或90°時(shí)取得且可達(dá)50 ℃以上。

圖6 工藝參數(shù)對加工表面溫度的影響Fig.6 Effects of cutting parameters on machined surface temperature

與切削力最大值隨刀具參數(shù)變化一致，除后刀面接觸不穩(wěn)定的逆纖維切削，圖6（a）中使用刀具T1 時(shí)溫度基本大于使用刀具T2 時(shí)。β增加同樣使溫度呈減小趨勢，但影響并不明顯。這是因?yàn)榍袛嗖牧蠒r(shí)擠壓與摩擦作用隨刀具前角和后角的增大而降低，后刀面與加工表面的摩擦作用降低，使傳遞到加工表面熱量減少，溫度降低。如圖6（b）所示，與切削力變化規(guī)律相同，溫度隨切深的增大而顯著增大。這是由于切深增加時(shí)刀具切斷纖維時(shí)耗能增加，后刀面摩擦作用增加，進(jìn)而切削產(chǎn)熱量增加。

2.4 工藝參數(shù)對切削次表面損傷的影響

次表面是影響結(jié)構(gòu)疲勞性能的重要因素，本文采用SEM 進(jìn)行觀測。采用冷鑲樣法磨掉外側(cè)材料進(jìn)行制樣。在FCA=0 時(shí)，材料去除以纖–基界面脫黏為主，不會造成損傷向面下傳遞，基本不產(chǎn)生損傷。在圖7 FCA=30°時(shí)的次表面可明顯觀測到纖維剪切斷裂面。隨著γ增加（T1→T2），纖維斷裂造成的損傷深度顯著減?。?8 μm→20 μm）。這是由于γ增大使Fy減小，進(jìn)而纖維斷裂區(qū)減小。β增加（T2→T3），后刀面與加工表面接觸減小，切削表面規(guī)整，損傷幾無變化。

圖7 順纖維切削時(shí)工藝參數(shù)對次表面損傷的影響Fig.7 Effects of cutting parameters on subsurface damage when along fiber cutting

在圖7 FCA=60°時(shí)，剪切成屑過程使面下區(qū)域出現(xiàn)纖維斷裂，隨切深增加，損傷深度增加至214 μm，并逐漸形成穩(wěn)定斷裂帶。這是由于切深增大了切削力Fy和Fz，造成纖維在垂直剪切作用下發(fā)生小范圍扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而在面下發(fā)生部分纖維斷裂。在FCA=30°時(shí)，切深對次表面的影響規(guī)律基本相同，但損傷深度更小。

在FCA=90°時(shí)，纖維在剪切作用下扭轉(zhuǎn)并斷裂，扭轉(zhuǎn)纖維在面下發(fā)生局部斷裂。圖8（a）中隨γ增加（T1→T2）纖維斷裂帶逐漸消失，損傷深度增加。前者由剪切力造成，后者因?yàn)榫植繎?yīng)力集中造成纖–基界面脫黏。隨β增大（T2→T3）面下纖維斷裂減少，損傷深度減小，但切削表面不夠整齊。這是由于β減小使后刀面與加工表面接觸區(qū)減小，從而使表面形狀波動、纖維斷裂位置不定。圖8（b）中隨切深增加，損傷深度不斷增加，纖維斷裂區(qū)域擴(kuò)大，這是切深使剪切力增加的結(jié)果。

逆纖維切削時(shí)彎曲斷裂主導(dǎo)成屑，往往造成嚴(yán)重次表面損傷。逆纖維切削可分為FCA<90°+γ和FCA>90°+γ兩種情形，圖9（a）為不同刀具下次表面微觀圖。當(dāng)FCA=120°時(shí)，T1 時(shí)以FCA>90°+γ為主，T2和T3 時(shí)以FCA<90°+γ為主。T1 時(shí)纖維首先與前刀面接觸，并經(jīng)歷多次彎折形成纖維面下斷裂。T2 時(shí)纖維直接與刀尖接觸并彎曲折斷損傷。隨著γ增加（T1→T2）纖維彎折角減小，但斷裂損傷明顯增加。T1 時(shí)纖維多次彎折使彎折角不斷增加；而使用T2 時(shí)纖維加工面回彈嚴(yán)重，后刀面與加工面接觸使纖維不規(guī)則斷裂。隨著β增加（T2→T3）切削力減小，使纖維斷裂區(qū)域減小。

圖9 逆纖維切削時(shí)工藝參數(shù)對次表面損傷的影響Fig.9 Effects of cutting parameters on subsurface damage when against fiber cutting

在FCA=150° 時(shí)，材料去除以FCA>90°+γ為主。在使用T1、切深150 μm 時(shí)，切削輪廓呈鋸齒狀，斷裂面垂直纖維，齒高約200 μm，未見明顯其他損傷。在使用T2 時(shí)，γ的增加使切削力減小，未切斷纖維與纖維逐漸出現(xiàn)，損傷深度達(dá)500 μm 以上。T3 時(shí)β增加使后刀面與加工面接觸減小，少許纖維不規(guī)則斷裂，損傷深度僅為200 μm 左右。

圖9（b）中逆纖維切削時(shí)切深對次表面損傷影響與其他方向類似。隨切深增加，損傷深度增大到1 mm以上，纖維斷裂區(qū)域逐漸增加，彎折角度逐漸增大。切深增加使切削力增加進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p傷增大。

3 結(jié)論

（1）FCA=0°（180°）時(shí)材料以層間剝離形式去除；順纖維切削時(shí)材料以剪切–滑移形式去除，纖維斷裂面清晰且深度達(dá)200 μm；FCA=90°時(shí)以纖維剪切斷裂為主，面下剪斷纖維和脫黏裂紋造成損傷深度可達(dá)470 μm；逆纖維切削時(shí)以彎折斷裂為主，造成鋸齒狀加工面，損傷深度達(dá)1 mm。

（2）刀具前角增加會減小待切削材料所受推擠作用，而后角β增加會減小后刀面與加工面接觸區(qū)域，兩者均會減小切削力與溫度；切深增加會導(dǎo)致切削力和溫度的增加，惡化次表面。

（3）順纖維切削時(shí)，前角γ增大會減小纖維斷裂區(qū)，而后角β增大損傷變化不明顯。當(dāng)FCA=90°時(shí)γ增大會使剪切力減小進(jìn)而減小面下剪切斷裂帶；β增大會減小剪切斷裂區(qū)域和損傷深度。當(dāng)FCA=120°時(shí)，γ增大會導(dǎo)致切削機(jī)理變化，纖維彎折角減小但損傷明顯增加；β增大會通過減小切削力來減少纖維彎折斷裂。當(dāng)FCA=150°時(shí)切削面呈明顯鋸齒狀，γ增大明顯增加未切斷與彎折斷裂纖維，并有效降低損傷深度；β增大則會通過減少后刀面與加工面接觸來減小次表面損傷。