碳纖維增強復合材料的銑削實驗和微觀形貌分析

蘇飛，袁軍堂，于斌斌，汪振華

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京210094)

0 引言

碳纖維復合材料(CFRP)作為一種新型結構材料，在航空航天、汽車、風電葉片等制造領域得到了廣泛應用。

CFRP 的機械加工存在很多問題，例如材料產生分層破壞、產生殘余應力、引起撕裂和毛邊等［1-4］。針對這些問題的解決，國內外專家學者在CFRP 的機械加工方面做了較多研究。張厚江等［4］通過對單向CFRP 的鉆削實驗，研究了不同纖維方向與切削方向夾角下孔壁的微觀形貌，并總結了3 種典型的纖維斷口。鮑永杰等［5］、Gao 等［6］以單向CFRP 為研究對象，建立單絲切削模型，并結合單點飛切實驗分析了纖維斷裂方式以及纖維受拉、剪應力斷裂所形成的斷口形貌。Wolfgang Hintze 等［7］通過單向碳纖維復合，研究了不同纖維取向下切削表面產生缺陷的狀況，總結出了缺陷的發(fā)生區(qū)、擴散區(qū)和無擴散區(qū)。Karpat［8］等使用2 種不同的刀具對單向CFRP 進行銑削實驗，研究了不同纖維取向下的切削力及其加工質量。Hintze 等［7-10］的銑削實驗均采用了工件平放的銑削方式，在CFRP 工件構形復雜的特定銑削加工中，這種銑削加工方式將存在一定的局限性。而切削表面的加工質量與纖維的取向密切相關［4］，因此，工件采用不同的放置方式進行銑削，對其切削表面的研究顯得十分必要。另外，對復合材料加工表面質量的評價缺乏統(tǒng)一的方法和手段，能真實和全面反映切削表面形貌特征的有效方法還不夠成熟［11］。但通過觀測切削表面的微觀形貌可以反映切削表面的真實特征。目前，關于平紋織物CFRP 工件采用立放方式的銑削研究并未涉及到，特別是其切削表面的微觀形貌研究鮮有報道。

針對以上現(xiàn)狀，本文以平紋織物CFRP 為研究對象，采用立放方式進行銑盲槽實驗，分析被切削區(qū)上表面缺陷狀況及其與切削速度vc和進給速度vf的關系，通過掃描電鏡(SEM)觀察并分析纖維的斷口形狀、槽壁形貌、槽底部形貌和切屑形狀。

1 實驗方案

1.1 實驗條件

試件材料為板狀平紋織物碳纖維布疊層復合材料(T300/環(huán)氧樹脂，CFRP)，基體為熱固性環(huán)氧樹脂，厚15 mm，纖維直徑7 ～8 μm，纖維體積含量60% ～65%，試件為110 mm×20 mm×15 mm 方條。

采用整體硬質合金(YG6X)螺旋齒立銑刀，直徑6 mm，4 齒右螺旋:螺旋角β 為30°，主切削刃前角γ 為5°，后角α 為12°.

平紋織物CFRP 制作成型后，平紋交織結構中的經紗和緯紗難以分辨。實驗中:試件立放，豎直方向纖維束定義為經紗(經向纖維)，水平方向為緯紗(緯向纖維)。一束經紗、緯紗的平均寬2.5 mm，實驗中為了能清楚反映整個一束緯紗的切削形貌，選切削深度ap為3 mm. 通過改變切削速度vc和進給速度vf，在KVC1050M 立式加工中心上進行單因素實驗，所選用的切削速度vc和進給速度vf如表1 所示。

表1 所選切削速度vc和進給速度vfTab.1 Selected milling parameters vc and vf

實驗采用無冷卻銑削方式，實驗裝置實物以及銑削方式和槽內各部位名稱分別如圖1(a)和圖1(b)所示。試件被銑削后，從中抽取部分試件，采用掃描電鏡(SEM)分別對試件的不同部位(包括槽的前端壁、側壁和底面，見圖1(b))及切屑進行觀察及分析。

1.2 工件立放銑削模型

立銑刀的主切削刃分布在銑刀的圓柱表面上。為便于分析，以主切削刃的切削方向和纖維層片方向為參考建立切削模型，如圖2(a)所示。

圖1 實驗裝置、銑削方式和槽各部位Fig.1 Experimental setup，milling method and slot

圖2中:ψ 為纖維層片方向與切削方向的夾角;θ 為切削處緯向纖維與切削方向的夾角;φ 為切削處緯向纖維的彎曲角度(彎曲度)，由相關文獻［12］可知-5°≤φ≤5°;Fc為切削處平行于切削方向的切向銑削力;Fcn為徑向銑削力;Fr為銑削力的合力;Fτ為銑削力合力沿垂直纖維軸向的分力，它將對待切纖維形成剪切應力;Fσ1為銑削力合力沿纖維軸向的分力，它將對待切纖維形成壓應力;Fσ2為銑削力合力沿纖維軸向的分力，它將對待切纖維形成拉伸應力。

從銑削模型可知，不同的切削區(qū)域(即ψ 不同)，緯向纖維的主要受力狀況也不同，而θ 與ψ 相差并不大，可認為微小段單根緯向纖維是直的，故在不考慮切削速度、刀具螺旋角和材料變形的條件下，以θ 為參考，分析單根緯向纖維的主要受力狀況。當0° ＜θ ＜90°時，切削過程中Fτ將對待切纖維形成剪切應力，F(xiàn)σ1對待切纖維形成壓應力，可見纖維主要受到壓應力和剪切應力，如圖2(b)所示;當θ =90°時，待切纖維主要受剪切應力;當90° ＜θ ＜180°時，在Fτ對待切纖維形成剪切應力的同時，F(xiàn)σ2將對待切纖維形成拉伸應力，此時，纖維主要受到拉伸應力和剪切應力，如圖2(c)所示。

圖2 切削模型和單根緯向纖維切削模型Fig.2 Cutting model (a)and cutting model (b、c)of single fiber

1.3 分層缺陷評價因子

在試件采用立放方式的銑削過程中，槽兩側將產生高層間應力，導致層與層之間產生裂紋。同時，刀齒產生的擠壓和滑移將破壞表面自由邊的纖維束。這些分層和纖維破壞將直接影響制品的質量，如圖3 所示為vc=64 m/min，vf=100 mm/min，ap=3 mm 時的評價因子。參考相關文獻的研究［13-14］，以切削區(qū)槽兩側上表面分層和纖維破壞的情況作為衡量缺陷大小的因子，簡稱分層因子Fd，以此來表征制品表面的加工質量，如(1)式所示:

式中:Wmax為槽兩側被破壞的最大寬度;W 為槽的加工寬度。Wmax通過立體顯微鏡和圖片處理軟件測得。

圖3 分層和纖維破壞及其評價因子Fig.3 Delamination，damaged fibers and evaluation factor

2 結果分析和討論

2.1 切削區(qū)上表面缺陷分析

在90°≤ψ≤180°區(qū)域內，槽前端上表面普遍存在毛刺缺陷，且隨著ψ 的增大，毛刺逐漸明顯，如圖4(a)所示。切削過程中，切削區(qū)上表面的緯向纖維隨著刀具向前推擠將發(fā)生退讓和翻邊。銑刀切入側(0°≤ψ ＜90°)，緯向纖維的退讓方向與刀具的切削方向有同向趨勢，纖維無法避讓而被切除，而銑刀切出側(90°≤ψ≤180°)，緯向纖維的退讓方向與刀具的切削方向有反向趨勢，隨著刀具的繼續(xù)推擠纖維與刀具趨于分離，造成纖維避讓而形成毛刺，隨著ψ 增大，避讓越嚴重，毛刺也越明顯。另外，刀刃鈍圓半徑較大，纖維不易被切斷［15］也是毛刺的形成原因之一。其中，銑刀切入側和切出側的銑削方式分別為逆銑和順銑。由此可知，在CFRP 工件采用立放方式的實際銑削加工過程中，應采用逆銑的銑削方式，且銑削寬度小于刀具半徑為宜。

槽兩側上表面普遍存在經緯界面的分層和纖維的破壞缺陷，如圖3(a)和圖4(b)所示。其中，刀齒產生的擠壓和滑移導致自由邊的纖維受到破壞。經緯交叉處應力最大［16］，基體最容易被破壞，由此造成經緯界面的分層。加上復合材料內部基體分布并非均勻，這也促使著分層的產生。此外，在緯向纖維的初始彎曲作用下，導致了槽兩側上表面普遍存在緯向纖維的回彈現(xiàn)象，見圖4(b). 而且緯向纖維的彎曲度越大，這種現(xiàn)象越明顯。部分緯向纖維的“回彈”也正是槽兩側產生毛刺的主要原因。

槽兩側產生的分層和纖維破壞直接影響制品的質量，以分層因子Fd來衡量制品表面的加工質量。分層因子Fd與切削速度vc和進給速度vf之間的關系如圖4(c)和圖4(d)所示。隨著切削速度vc的增大分層因子Fd逐漸減小，分層缺陷平均減小30.44%. 隨著進給速度vf的增大分層因子Fd逐漸增大，分層缺陷平均增大73.49%.

由分層因子與切削速度vc和進給速度vf之間的關系不難得出，在滿足一定的加工質量和加工要求前提下，實際加工中可以優(yōu)先提高切削速度vc，適當?shù)卦龃筮M給速度vf.

2.2 槽壁纖維斷口的SEM 分析

仔細觀察槽前端壁和側壁的纖維斷口發(fā)現(xiàn)，緯向纖維的典型斷口形貌主要有5 種，如圖5(a)～圖5(e)所示。圖5(a)斷口平面與纖維軸線基本垂直，圖5(b)斷口平面與纖維軸線不垂直。這2 種斷口形貌主要出現(xiàn)在ψ=90°附近的槽前端壁上，該區(qū)域內θ 基本呈90°，纖維所受拉伸應力或壓應力均較小，主要受剪切應力，可見這2 種斷口形貌是由于纖維受剪切應力形成的。如圖5(c)所示，多階平面斷口主要出現(xiàn)在ψ =45°附近的槽前端壁上。當ψ在0°附近時，由于壓應力過大，部分纖維斷口已受到不同程度的破壞，纖維斷口較為破碎，而隨著ψ的增大，纖維所受壓應力的破壞作用減小;當ψ 在45°附件時，纖維斷口較為完整。由于ψ 與θ 相差不大，該區(qū)域內緯向纖維同時受到壓應力和剪切應力，因此，多階平面斷口是纖維主要受壓應力和剪切應力所形成的斷口;如圖5(d)所示，不規(guī)則斷口主要出現(xiàn)在ψ≥135°附近的槽前端壁上，且隨著ψ 的增大，這種斷口呈增多趨勢。由于ψ 與θ 相差不大，該區(qū)域內緯向纖維同時受到拉伸應力和剪切應力。隨著ψ 的增大，θ 也逐漸增大，導致剪切應力逐漸減小，而拉伸應力逐漸成為主要應力，由此可知纖維主要受拉伸應力的同時還受剪切應力是不規(guī)則斷口形貌形成的原因;如圖5(e)所示，波紋狀斷口主要出現(xiàn)在ψ=45°附近的凹坑內，其形成原因較復雜。

圖5 纖維斷口典型形貌Fig.5 Typical fracture microstructures of fibers

此外，與緯向纖維差別較大的經向纖維的典型斷口形貌主要有2 種，如圖5(f)和圖5(g)所示的經向纖維典型斷口形貌。圖5(f)是由長斜面和不規(guī)則狀斷口組合而成的斷口，圖5(g)是伴有根部斷裂的長斜面斷口，這2 種斷口形貌極為相似，主要區(qū)別在于圖5(g)中長斜面的根部是斷裂的。

在切削過程中，刀尖與纖維的接觸使纖維受近似均布線載荷，其作用線與纖維軸線形成的夾角δ較小，如圖6 所示。由此產生的剪切應力把單根纖維切成2 部分，單根纖維的一部分形成了長斜面纖維斷口。隨著刀具繼續(xù)推擠，導致單根纖維的刀尖前端部分在剪切和拉伸應力下迅速形成不規(guī)則斷面，纖維斷口最終形成圖5(f)中斷口形貌，這種斷口主要出現(xiàn)在135°≤ψ ＜180°的槽前端壁上。圖5(g)與圖5(f)斷口的形成原因相似，而根部的斷裂主要由于根部受到了壓應力的破壞作用，圖5(g)斷口形貌主要出現(xiàn)在ψ =90°附近的槽前端壁上，可見該處的經向纖維容易受到破壞。

圖6 經向纖維切削模型Fig.6 Cutting model of warp fiber

圖6中:Q 為經向纖維所受近似均布線載荷;δ 為載荷作用線與纖維軸線形成的夾角。

從碳纖維斷口形貌的SEM 觀察及分析可以看出，由于纖維所受應力不同，纖維斷口呈現(xiàn)不同的斷口形貌。此外，碳纖維是具有脆性特征的彈性材料［17-19］，在斷裂過程中缺乏塑性流變特性，集中應力不易緩和與釋放，而是以裂紋迅速傳播和擴展形成新表面的方式消除的［20-21］，因此纖維斷口處的纖維直徑沒有明顯的頸縮現(xiàn)象，纖維斷裂呈明顯的脆性斷裂。

2.3 槽前端壁切削表面的SEM 分析

2.3.1 槽前端壁切削表面的整體微觀形貌

結合纖維斷口形貌的分析，對槽前端壁切削表面的整體微觀形貌進行觀察及分析。結果表明，樹脂涂覆表面面積相對較小，大部分纖維斷口清晰可見，試件前端壁表面沿著圓周方向的表面粗糙度不一樣。

當ψ 在0°附近時(銑刀切入側)，除部分緯向纖維受到破壞外，切削表面整體較平整，見圖7(a);當ψ 在45°附近時，切削表面形成明顯的下凹現(xiàn)象，嚴重影響切削表面的粗糙度，其切削質量最差，見圖7(b)左圖;當ψ 在90°附近時，除切削表面少部分出現(xiàn)下凹現(xiàn)象外，切削表面整體較平整，見圖7(b)右圖;當ψ 在135°附近時，切削表面整體較光潔，沒有明顯的下凹現(xiàn)象，切削質量最好，見圖7(c);當ψ 在180°附近時(銑刀切出側)，切削表面整體較平整，切削質量較好，見圖7(d).

理論上，當ψ 在45°附近時，緯向纖維與切削方向的夾角θ ＜90°，這部分纖維的切削形式屬于逆切［5］，其斷裂點在刀刃的下方將形成凹坑。然而，在試件采用立放方式的銑削實驗中，除圖7(b)右圖中Ⅰ區(qū)緯向纖維出現(xiàn)大面積的凹坑外，該區(qū)域內的切削表面整體較平整，如圖7 (b)右圖所示。圖7(b)左圖是右圖矩形框中切削表面放大1 200 倍的圖片，從圖中可見纖維斷口出現(xiàn)部分平滑和傾斜等剪切斷口。

在切削過程中，圖7(b)中Ⅰ區(qū)緯向纖維的切除主要由其右側未被切除的緯向纖維提供支撐。然而，緯向纖維束內部的纖維和樹脂分布并非均勻，由此造成緯向纖維束內部的局部松散，這種局部松散造成支撐力分布不均衡。支撐力的不均衡促使纖維主要受彎曲作用而發(fā)生斷裂，其斷裂點在刀刃下方，最終形成明顯的“凹坑”。而圖7(b)中Ⅱ區(qū)與Ⅰ區(qū)不同，Ⅱ區(qū)緯向纖維主要由其右側經向纖維提供支撐。與Ⅰ區(qū)相比，Ⅱ區(qū)緯向纖維所受支撐力更為均衡，且經向纖維的弧形彎曲對緯向纖維的錯動具有一定的約束作用，這種約束作用改善了緯向纖維的受力狀況，有利于增強剪切效應。

綜上可見，在工件采用立放方式的銑削中，這種經緯交織結構在一定程度上降低了槽前端壁切削表面的整體粗糙度。

圖7 槽前端壁切削表面的微觀形貌(vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)Fig.7 Cutting surface microstructure of the front wall of slot(vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)

2.3.2 槽前端壁局部缺陷微觀形貌

在90°≤ψ≤135°的局部區(qū)域內，經緯纖維界面出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象和經緯纖維同時被壓碎的現(xiàn)象，且緯向纖維的碎裂程度更為嚴重，如圖8 所示。這是由于切削過程中經緯交織結構在經緯相交處應力最大［16］，大的應力易造成纖維、基體以及纖維與基體界面的破壞。圖8(a)中經緯纖維同時出現(xiàn)不同程度的纖維破壞，而緯向纖維的破壞最為嚴重，可知緯向纖維積聚的變形能最大。圖8(b)中經緯界面出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，該處基體較完好，主要是纖維與基體界面受到了破壞。

圖8 槽前端壁局部缺陷的微觀形貌(vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)Fig.8 Microstructures of the part of slot front wall (vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)

仔細觀察整個槽前端壁的切削表面發(fā)現(xiàn)，這種嚴重的破壞現(xiàn)象只出現(xiàn)在90°≤ψ≤135°的切削表面上。此外，根據(jù)槽前端上表面的缺陷分析可知，在90°≤ψ≤180°區(qū)域內，槽前端上表面普遍存在毛刺缺陷。因此，平紋織物CFRP 試件在采用立放方式進行銑削時，90°≤ψ≤180°處是銑削的薄弱處。

2.4 切屑的SEM 分析

在所有試件采用立放方式的銑削實驗中，都產生了一種典型切屑，這種切削主要由粉末和大量的長條狀纖維組成，簡稱粉末長條狀切屑。其中長條狀纖維的長度與切削厚度基本相等，其斷口平齊，且大量的樹脂涂覆在纖維斷口上。長條狀纖維斷口形貌與槽底面經向纖維的微觀形貌如出一轍，如圖9所示。且這種典型切屑的產生伴隨整個切削過程，由此可以推斷出長條狀纖維切屑主要來自經向纖維，其對應的切削表面即為槽底切削表面。而其中的粉末則主要來自緯向纖維和樹脂基體。圖9(b)中除部分經緯交叉處存在纖維被拔出留下的孔洞外，表面整體較光潔，可見長條狀纖維切屑所對應的切削表面較平整，切削表面質量較好，因此，所目測到的槽底切削表面很光潔。另外，從槽前端壁切削表面的整體微觀形貌可知，經緯交織結構在一定程度上降低了槽前端壁切削表面的整體粗糙度，從而工件采用立放方式的銑削具有可行性。

圖9 典型切屑和槽底切削表面的微觀形貌(vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)Fig.9 Typical chips and microstructure of slot bottom (vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)

3 結論

1)隨著切削速度vc的增大，分層因子Fd平均減小30.44%;隨著進給速度vf的增大，分層因子Fd平均增大73.49%.

2)緯向纖維的典型斷口形貌主要有5 種，與緯向纖維差別較大的經向纖維典型斷口形貌主要有2 種，即長斜面和不規(guī)則狀斷口組合而成的斷口形貌，及伴有根部斷裂的長斜面斷口形貌。

3)在90°≤ψ≤180°區(qū)域內，槽前端上表面易產生毛刺缺陷，并且在90°≤ψ≤135°區(qū)域內，槽前端壁的切削表面易出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象和經緯纖維同時被壓碎的現(xiàn)象。因此，90°≤ψ≤180°區(qū)域(即銑刀切出側)是工件立放銑削的薄弱處。

4)在工件采用立放方式的銑削中，經緯交織結構在一定程度上降低了槽前端壁切削表面的整體粗糙度。此外，長條狀切屑所對應的切削表面為槽底切削表面，其表面加工質量較好。因此，工件采用立放方式的銑削具有可行性。

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