尚曉峰 高石鑫 王志堅(jiān)

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110136)

YT15和YG8硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料磨損對(duì)比研究

尚曉峰 高石鑫 王志堅(jiān)

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110136)

為了研究不同牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料的磨損機(jī)理和刀具的耐用度，分別采用YT15和YG8硬質(zhì)合金刀片對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行切削試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，兩類牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具的磨損主要發(fā)生在后刀面和切削刃處，磨損機(jī)理為磨粒磨損，并且在切削相同距離時(shí)，YT15硬質(zhì)合金刀具比YG8硬質(zhì)合金具磨損更嚴(yán)重，并表現(xiàn)為切削過(guò)程中YT15的切削力大于YG8硬質(zhì)合金刀具。YG8比YT15具有更高耐用度的主要原因是YG8的抗壓強(qiáng)度比YT15大，同時(shí)熱傳導(dǎo)率也是一個(gè)影響因素。

碳纖維復(fù)合材料；硬質(zhì)合金刀具；刀具磨損；切削力；刀具材料物理性質(zhì)

碳纖維復(fù)合材料目前已成為一種主要的先進(jìn)復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于航空航天工程、船舶工程、建筑工程、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中。由于碳纖維復(fù)合材料中碳纖維硬度大且具有極強(qiáng)的研磨性，另外基體樹(shù)脂具有較低的導(dǎo)熱率和較低的延展性，在切削碳纖維復(fù)合材料過(guò)程中會(huì)造成嚴(yán)重的刀具磨損，嚴(yán)重的刀具磨損已成為阻礙碳纖維復(fù)合材料切削效率提高的主要原因。程寓、魏良耀[1]采用涂層硬質(zhì)合金鉆頭對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，對(duì)刀具的磨損形貌和磨損機(jī)理進(jìn)行了研究，并分析了刀具的磨損規(guī)律。Kyung-Hee Park，Aaron Beal和Dave Kim[2]等人采用了金剛石刀具和硬質(zhì)合金刀具對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行切削試驗(yàn)并觀察刀具磨損情況，得出切削碳纖維復(fù)合材料金剛石刀具比硬質(zhì)合金刀具具有更高的耐用度。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，目前對(duì)碳纖維復(fù)合材料的切削加工所采用的刀具還是以硬質(zhì)合金刀具為主，而對(duì)于不同牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料過(guò)程中刀具磨損的對(duì)比分析國(guó)內(nèi)還沒(méi)有詳細(xì)研究，因此選用了YT15和YG8兩類常用牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，觀察兩類牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具在切削過(guò)程中的刀具磨損形貌并研究刀具磨損機(jī)理，從而分析出刀具材料對(duì)刀具磨損的影響。

1 切削試驗(yàn)

1.1 工件材料

試驗(yàn)采用的被切削試件材料為采用纖維纏繞法制成的碳纖維復(fù)合材料管材。增強(qiáng)纖維材料為直徑7 μm的PAN系(聚丙烯腈)高強(qiáng)度碳纖維，纖維體積含有率為50%，基體材料為熱固性樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂，試驗(yàn)采用的碳纖維復(fù)合材料管材外徑為82 mm，內(nèi)徑為60 mm，其力學(xué)性能如表1所示。

表1 碳纖維復(fù)合材料工件性能和結(jié)構(gòu)

纖維直徑/μm纖維拉伸強(qiáng)度/GPa纖維拉伸模量/GPa纖維含有率/(%)CFRP彎曲強(qiáng)度/MPaCFRP彈性模量/MPa73．42355069330．1

1.2 刀具材料及幾何參數(shù)

為了研究不同牌號(hào)硬質(zhì)合金切削碳纖維復(fù)合材料過(guò)程中的磨損機(jī)理和耐用度，試驗(yàn)選取了YT15和YG8兩類常用牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，兩類牌號(hào)的刀片的幾何參數(shù)完全相同。YT15和YG8的化學(xué)成分和物理力學(xué)性能如表2、表3所示。

表2 兩類硬質(zhì)合金刀片化學(xué)成分

刀片牌號(hào)刀片化學(xué)成分WCTiCTaCCo其他YT157915—6—YG892——8—

表3 兩類硬質(zhì)合金刀片物理性能

刀具牌號(hào)物理性能硬度HRA抗彎強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa熱導(dǎo)率/(W/mK)YT159111503900520～53033．49YG88915004470600～61075．36

試驗(yàn)中所用的刀桿型號(hào)為90W25-3K13。硬質(zhì)合金刀片安裝到刀桿上后刀具的幾何參數(shù)為：刀具前角γ0=6°，后角α0=6°，刀尖圓弧半徑rε=0.5 mm，刀具主偏角κr=90°。試驗(yàn)所用的刀桿和刀片如圖1所示。

1.3 切削試驗(yàn)方案

切削試驗(yàn)在CA6140普通車床上進(jìn)行,分別使用YT15和YG8兩類牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具對(duì)碳纖維復(fù)合材料管材試件進(jìn)行干式切削，同時(shí)使用測(cè)力儀記錄切削力的大小，并在試驗(yàn)過(guò)程中切削一定的路程后，取下刀片，在顯微鏡下觀察刀具磨損形貌及后刀面的磨損寬度，對(duì)比兩類牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具的磨損形貌和磨損程度。試驗(yàn)中的切削參數(shù)為：切削速度v=178 m/min，進(jìn)給量f=0.24 mm/r，切削深度ap=1 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損形態(tài)對(duì)比

圖2a、2b為硬質(zhì)合金刀具YT15磨損初期(切削距離為105 m)時(shí)前、后刀面的磨損形貌圖，YT15硬質(zhì)合金刀具前刀面靠近主切削刃處出現(xiàn)窄的磨損區(qū)域，YT15硬質(zhì)合金刀具后刀面呈現(xiàn)出三角形的帶狀磨損，靠近刀尖處磨損寬度最大。圖2c、2d為硬質(zhì)合金刀具YG8磨損初期(切削距離為105 m)時(shí)前、后刀面的磨損形貌圖，前刀面磨損與YT15前刀面磨損相似，靠近主切削刃處發(fā)生磨損，YG8硬質(zhì)合金刀具后刀面同樣呈現(xiàn)出三角形磨損帶，但是YG8后刀面的磨損寬度在顯微鏡下觀察要略小于Y15后刀面的磨損寬度。

圖3a、3b為硬質(zhì)合金刀具YT15磨損中、后期(切削距離為314 m)時(shí)前、后刀面的磨損形貌圖，前刀面磨損區(qū)域的形貌沒(méi)有發(fā)生明顯變化，磨損區(qū)域的磨損帶寬度和磨損程度并沒(méi)有加深，觀察YT15后刀面發(fā)現(xiàn)磨損帶的寬度增大了。刀具切削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，切削層材料幾乎不發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生切屑的形態(tài)主要為粉末狀如圖4所示，切削過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)切屑擠壓前刀面的現(xiàn)象，所以隨著切削距離的增加前刀面不會(huì)有明顯的磨損，而切削刃不斷切割碳纖維復(fù)合材料，隨著切削距離的增加切削刃逐漸被磨鈍，失去切削性能。切削過(guò)程中，刀具后刀面與過(guò)渡表面接觸，圖5為過(guò)渡表面的局部放大圖，觀察到過(guò)渡表面有許多伸出的碳纖維斷口，切削過(guò)程中粗糙過(guò)渡表面的碳纖維斷口不斷摩擦著后刀面，導(dǎo)致后刀面的磨損程度不斷加深。圖3c、3b為硬質(zhì)合金刀具YG8磨損中、后期(切削距離為314 m)時(shí)前、后刀面的磨損形貌圖。YG8的磨損機(jī)理與YT15的磨損機(jī)理相同，所以刀具磨損形態(tài)的變化也與YT15磨損形貌特征變化相似，隨著切削距離的增加，刀具前刀面磨損沒(méi)有明顯變化，后刀面磨損區(qū)域的寬度增大了，但磨損寬度增大的幅度要比YT15硬質(zhì)合金刀具小。

2.2 切削過(guò)程中切削力對(duì)比

YT15和YG8兩類硬質(zhì)合金刀具切削過(guò)程中刀具磨損程度的不同會(huì)表現(xiàn)為切削力不同，通過(guò)記錄兩類硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料過(guò)程中切削力的變化，來(lái)對(duì)比分析YT15和YG8兩類硬質(zhì)合金刀具的切削力和刀具磨損的關(guān)系。

切削過(guò)程中主切削力Fc消耗主要功率，所以選擇分析主切削力來(lái)進(jìn)行分析，圖6a、6b所示分別為YT15和YG8兩類硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料過(guò)程中主切削力Fc的波形圖。由圖可知，YT15主切削力數(shù)值在2 000 N上下波動(dòng)，YG8主切削力數(shù)值在1 800 N上下波動(dòng)。在金屬材料切削過(guò)程中，由于YG類硬質(zhì)合金比YT類硬質(zhì)合金刀具摩擦系數(shù)高，所以在金屬切削過(guò)程中通常是YG類比YT類硬質(zhì)合金刀具的切削力大。而在碳纖維復(fù)合材料切削中，YT15硬質(zhì)合金刀具的切削力比YG8的切削力大。通過(guò)對(duì)初期和中、后期刀具磨損的對(duì)比分析，刀具磨損表現(xiàn)為后刀面磨損和切削刃磨鈍，并且YT15硬質(zhì)合金刀具的磨損程度要高于YG8 ，YT15刀具的切削刃在切削碳纖維復(fù)合材料的過(guò)程中比YG8更容易被磨鈍，切削刃磨鈍導(dǎo)致切削不再輕快，表現(xiàn)為切削力的增大，從而解釋了切削碳纖維復(fù)合材料過(guò)程中YT15的切削力大于YG8的原因。

2.3 刀具磨損過(guò)程對(duì)比

在干式切削的條件下，對(duì)YT15和YG8兩種牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料的刀具磨損進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)以上對(duì)刀具的磨損形態(tài)的分析可知，硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料時(shí)的刀具磨損主要是后刀面磨損，所以通過(guò)觀察并記錄兩類牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具后刀面的磨損情況來(lái)分析兩類硬質(zhì)合金刀具的磨損規(guī)律，如圖7為兩類牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具的磨損曲線圖。

圖7所示為YG8和YT15兩類不同牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料過(guò)程中后刀面磨損規(guī)律曲線圖，由圖可以看出YT15磨損曲線在YG8磨損曲線的上方，表明在切削過(guò)程中YT15的磨損程度在不同的切削長(zhǎng)度下均大于YG8的磨損程度。分析兩類牌號(hào)硬質(zhì)合金的物理性能可以得出結(jié)論，切削過(guò)程中過(guò)渡表面的纖維斷口不斷擠壓并摩擦后刀面，從而導(dǎo)致后刀面發(fā)生磨損，由于YG8硬質(zhì)合金刀具有比YT15更大的抗壓強(qiáng)度，YG8的抗壓強(qiáng)度為4 470 MPa，YT15的抗壓強(qiáng)度為3 900 MPa，YG8硬質(zhì)合金刀具能更好地抵抗碳纖維斷口的摩擦；同時(shí)，在切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，由于碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，所以切削熱除了傳散到空氣中以外，主要傳散到了刀具上。隨著切削長(zhǎng)度的增加刀具的溫度會(huì)逐漸升高，從而會(huì)影響刀具的切削性能。YG8的熱導(dǎo)率比YT15要好，是因?yàn)閅G8中Co的含量高于YT15中Co的含量，所以YG8比YT15更有利于散熱從而降低切削溫度。通過(guò)以上分析，在高速切削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，YG8硬質(zhì)合金刀具比YT15硬質(zhì)合金刀具的磨損程度要低，具有更高的耐用度。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)切削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，兩類牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀具磨損機(jī)理均以磨粒磨損為主，刀具磨損形貌表現(xiàn)為后刀面的帶狀磨損和切削刃磨鈍。

(2)采用YT15和YG8兩類牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，YT15比YG8的磨損程度更為嚴(yán)重，并表現(xiàn)為切削過(guò)程中YT15的切削力大于YG8硬質(zhì)合金刀具，YG8硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料具有更高的耐用度。

(3)切削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，YG8比YT15硬質(zhì)合金刀具具有更高耐用度的主要原因是YG8具有更高的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)YG8的熱導(dǎo)率比YT15要高也是一個(gè)重要的因素。

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Comparative study on tool wear of YT15 and YG8 carbide tools in cutting of CFRP (carbon fiber reinforced plastics)

SHANG Xiaofeng， GAO Shixin， WANG Zhijian

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, CHN)

In order to study tool wear mechanism and tool life of different type carbide tools wear in cutting CFRP, the cutting test are done by YT15 and YG8 two carbide tools. The results show that tool wear mainly occurs in the flank face and cut edge of two types of carbide tools in cutting CFRP, and the wear mechanism is abrasive wear. The wear of YT15 carbide tool is more serious than YG8 carbide tool in the same cutting distance with showing that the cutting force of YT15 is higher than YG8 during the cutting process. The reason of YG8 has a higher durability than YT15 is that the compressive strength of YG8 is higher than YT15, thermal conductivity is also an important factor meanwhile.

carbon fiber reinforced plastics；carbide tool；tool wear；cutting force；physical properties of tool material

TB332

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.022

尚曉峰，男，1972年生，博士，副教授，研究方向?yàn)槭途鹿ぞ唛_(kāi)發(fā)與研究。

揚(yáng)) (

2016-05-24)

161230