新型立銑刀高速銑削碳纖維復合材料試驗研究

范宜鵬，林有希 ，王林建 ，禹杰 ，黃俊軻

(1.福建開放大學理工學院，福建福州350001；2.福州大學機械工程及自動化學院，福建福州 350108)

0 前言

碳纖維增強樹脂基復合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)因具有輕量化、高強度、結構穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)異性能，在航天器大飛機制造、汽車制造、體育器材等領域得到廣泛應用[1-3]。但其各層向異性、纖維層與樹脂間結合強度低，使它在精密切削過程中易于產生毛刺、撕裂等缺陷問題[3-4]。隨著高新微細加工技術的進步，毛刺缺陷問題在加工中得到很大的改善，但細微毛刺的存在依然是制約精密加工質量的瓶頸[5]。為此，毛刺去除工藝方法和去除機制成為國內外學者的研究熱點，并取得一系列研究成果。

XU等[6]采用超聲振動銑削，通過試驗并結合理論計算和單纖維去除模擬，從摩擦、應變率和材料去除機制方面分析了毛刺去除機制和毛刺數量抑制。HUSSEIN等[7]采用高頻振動輔助加工對CFRP/Ti6Al4V復合材料鉆孔分層試驗，較好地抑制毛刺形成的同時降低金屬殘余應力的生成。楊小璠等[8]設計不同幾何結構立銑刀對碳纖維復合材料進行側銑試驗，結果表明優(yōu)化設計后的刀具的幾何結構能顯著抑制工件表面毛刺的產生。陳雪梅等[9]利用不同側傾角度刀具對CFRP復合材料進行側傾銑削試驗，結果表明刀具側傾角度為20°時毛刺抑制效果最為顯著。林有希等[10]采用超細晶粒硬質合金涂層立銑刀對CFRP復合材料進行高線速度切削銑槽試驗，結果表明高線速度切削加工能顯著降低切削力和毛刺的長度，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，還有不少學者通過優(yōu)化切削參數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。

基于碳纖維復合材料在高速切削過程中易產生細微毛刺的問題，本文作者提出一種幾何結構粗精交錯刃的立銑刀具，用于碳纖維復合材料的高速銑槽加工。通過對切削力、毛刺因子、表面粗糙度的分析，驗證粗精交錯立銑刀對毛刺抑制有顯著作用，試驗結果也為CFRP精密加工刀具的選用提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗刀具

試驗選用新型四刃硬質合金涂層粗精交錯立銑刀(Ⅰ型刀具)與常規(guī)AlTiN涂層硬質合金立銑刀(Ⅱ型刀具)進行對比試驗。新型粗精交錯立銑刀為四刃銑刀，其刀刃由一對精磨刃與一對齒形波形刃交錯構成，如圖1所示。試驗中所采用的兩種銑削刀具除切削刃結構外，其余刀具參數均相同。刀具參數如表1所示，刀具實物如圖1所示。

圖1 試驗刀具

表1 AlTiN涂層刀具參數

1.2 試驗材料與設備

試驗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°，其力學性能如表2所示。

表2 T300型CFRP力學性能

試驗采用五軸立式銑床KMC600U進行CFRP高速銑削，該加工中心最大轉速為18 000 r/min；加工過程采用Kistler9257B測力儀實時采集切削力信號，并用Dynoware軟件對切削力信號進行分析處理。采用Leica M205FA體視顯微鏡對加工表面毛刺分布和長度進行分析，數據采集及測量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數據采集及測量系統(tǒng)

1.3 毛刺缺陷的評價

采用毛刺長度因子法對側槽邊上的毛刺缺陷進行評定。定義毛刺長度因子η為選定穩(wěn)定區(qū)域內毛刺長度總和與區(qū)域長度的比值，表達式如式(1)所示。

(1)

式中：ai為選定區(qū)域內各毛刺的長度；L為選定樣本毛刺長度最嚴重區(qū)域(此試驗取L=10 mm)。

1.4 試驗參數設置

采用單因素試驗設計，研究粗精交錯立銑刀對CFRP銑削加工質量的效果。采用干切削的方法，為避免刀具磨損對加工質量的影響，應控制刀具后刀面在正常磨損范圍內，后刀面磨損量應小于0.2 mm，每次銑削長度為100 mm；試驗數據選取5組穩(wěn)定區(qū)域取樣，以減少偶然誤差。試驗參數：切削速度320 m/min，每齒進給量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 試驗結果分析與討論

2.1 表面毛刺分析

分別利用兩種刀具對各纖維角度的碳纖維復合材料進行逆銑加工，加工后工件斷口處質量對比如圖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存在較為嚴重的毛刺現象，纖維方向角θ=45°時工件斷口處表面出現細短且稀疏的毛刺，在毛刺根部未發(fā)現撕裂現象；θ=90°時，工件斷口處表面上出現間斷較密集的毛刺群，且觀測到在表層纖維層靠近毛刺根部存在輕微的撕裂和拉絲現象；θ=135°時，工件斷口處表面上觀測到嚴重的成片狀的毛刺缺陷和撕裂現象，工件已到達報廢的標準；而采用粗精交錯立銑刀精銑時，槽邊表面質量良好，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，加工槽兩邊表面上未觀察到毛刺的存在；θ=135°時，加工槽邊表面處觀察到稀疏薄片狀且細長的毛刺缺陷。由此可知：粗精交錯立銑刀的特殊造型能有效地抑制毛刺和撕裂現象的產生。

圖4所示為兩種銑削刀具與毛刺因子變化的關系。可知：采用粗精交錯立銑刀加工的工件毛刺因子顯著下降；相較于常規(guī)硬質合金立銑刀而言，纖維方向角θ=45°時采用粗精交錯立銑刀后毛刺因子平均值下降91.04%；θ=90°時毛刺因子平均值下降82.97%；θ=135°毛刺因子平均值下降70.90%。采用粗精交錯立銑刀加工工件斷口處質量得到極大的提升，這是由于刀具特殊的幾何結構使得在齒形的刀刃旋轉切削進給過程中，纖維層纖維出現上下翻邊現象，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”，出現上下交錯的纖維層分布，并被緊隨其后的精磨刃直接剪切斷，進而抑制毛刺缺陷。

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，影響毛刺產生的主要因素是軸向的銑削分力。為獲得較好的表面質量，應使Fz盡可能小[5]。采用測力儀分別對2種刀具加工過程的銑削軸向力Fz信號進行采集，分別得到3種纖維鋪層方向的銑削力信號，如圖5、圖6所示。

圖5 普通立銑刀銑削力信號

圖6 粗精交錯立銑刀銑削力信號

由圖5可以看到：采用普通立銑刀對CFRP進行銑削加工時，銑削力Fz波形相對平穩(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：粗精交錯立銑刀銑削力Fz波形出現完全不一致的分布，第一次負峰值波谷先急速下降保持一段時間，隨后進入第二個波峰，最后急速斷崖式下降至第二個較小波谷。這是由于粗精交錯立銑刀的齒形波紋刃、精磨刃交替切削導致的。對比兩種刀具波形圖可知精磨刃切削力信號與普通立銑刀峰值規(guī)律保持一致，齒形波紋刃刀具結構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度，進而使切削力波峰值顯著下降。因此，采用粗精交錯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：采用粗精交錯立銑刀對CFRP試件進行逆銑加工時，各個纖維方向角下銑削軸向力Fz均呈下降的趨勢，相比于常規(guī)硬質合金立銑刀而言，采用粗精交錯立銑刀后，纖維方向角θ=45°時銑削力幅值最小，銑削力Fz平值下降20.93%；纖維方向角θ=90°時次之，銑削力Fz平均值下降17.74%；θ=135°時銑削力幅值最大，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，新型粗精交錯立銑刀對銑削力Fz改善效果較不明顯。從軸向力分析結果來看，粗精交錯立銑刀加工能有效減少銑削力，進而改善表層纖維彎曲變形的程度，以大幅度抑制毛刺的產生。

2.3 表面粗糙度分析

粗精交錯立銑刀特殊造型設計主要目的是為了抑制毛刺缺陷產生，同時必須保證工件斷口處表面粗糙度符合加工要求。加工試驗后，對各纖維方向角下的工件銑削斷口處表面粗糙度進行檢測，結果如圖8所示。

圖8 工件表面粗糙度對比

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，在采用粗精交錯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，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，遠超出合格標準。從圖8還發(fā)現纖維方向角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已遠超出合格標準。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，纖維的切削表面斷口較平整、斷口處出現微小的凹坑。這是因為θ=90°時，切削過程纖維根部有樹脂的支撐，其強度和剛度較大，纖維容易被切斷且不易被拔出或者變形。θ=135°時，纖維的切削表面斷口不平整，斷口處出現較多不規(guī)則的凹坑且凹坑較深。出現這種反差現象主要是因為纖維方向角θ=135°時，纖維方向順著刀具切削的方向產生“讓刀”現象，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，待刀具進給離開后，纖維彈性形變恢復；其次是θ=135°時刀具進給過程中纖維不僅受到剪切應力的作用，同時纖維在刀具后刀面擠壓摩擦作用下存在拉伸應力的作用，使得部分纖維被拉出，因此在工件表面出現毛刺缺陷和凹凸不平的坑洼形貌，導致粗糙度急劇上升。

圖9 Ⅰ型刀具切削碳纖維表面SEM圖

2.4 毛刺抑制機制分析

毛刺的形成主要是因為高硬度的碳纖維增強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度和拉伸強度較低，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е麓嬖谘氐毒咻S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，這部分纖維恢復原狀形成毛刺缺陷。

粗精交錯立銑刀具有獨特的切削刃結構，圍繞粗精交錯立銑刀的結構特點，對其毛刺抑制機制進行分析，得到以下結論：粗精交錯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，當齒形波紋刃進行切削時，由于刀具特殊的幾何結構使得纖維層在齒形的刀刃旋轉切削推進過程中，纖維出現上下翻邊現象，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產生向上和向下的軸向力，降低了軸向力大小；另一方面使得纖維表層出現上下交錯的纖維層分布，隨著刀具的推進，這些上下交錯的纖維層并沒有及時恢復原狀，隨著刀具旋轉精磨刃進入切削區(qū)域，翹起的纖維被從不同方向上切斷。正是由于粗精交錯立銑刀具獨特的幾何結構設計，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，同時改變表層纖維分布特征，能更高效地被刀刃剪斷，進而抑制毛刺的產生。

圖10 CFRP銑削示意

3 結語

本文作者針對CFRP材料在銑削加工過程中易產生毛刺缺陷的問題，提出一種旨在減少CFRP銑削毛刺的粗精交錯立銑刀，并與普通銑刀進行對比試驗，得到如下結論：

(1)通過觀測加工表面，采用粗精交錯立銑刀銑削時，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，毛刺抑制效果最優(yōu)，毛刺因子平均值下降達到91.04%；θ=90°時次之，毛刺因子平均值下降達到82.97%；θ=135°時，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立銑刀，切削力信號波形出現峰值呈交替變大變小的現象，第一次負峰值波谷先急速下降保持一段時間，隨后進入第二個波峰，最后急速斷崖式下降至第二個較小波谷，這種切削力波形交替變化現象，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立銑刀，纖維方向角θ為45°及90°時，槽側邊表面粗糙度較小，Ra為2.38～5.49 μm，能滿足加工要求，而θ=135°時，工件表面的粗糙度急劇增加，其Ra為9.89～16.49 μm，遠超出合格標準；

(4)粗精交錯立銑刀齒形波紋刃與精磨刃交錯分布的結構減小了銑削碳纖維復合材料時的軸向力，同時改變了表層纖維分布特征，能更高效地被剪斷，進而抑制毛刺的產生。