碳纖維增強復(fù)合材料高速切削刀具研究現(xiàn)狀?

郭 鈴，林有希

（1.福州市第一技工學校，福建 福州 350108；2.福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108）

0 引言

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有硬度高、強度大、導(dǎo)熱性差、各向異性的特點，屬于難加工材料［1］。近年來的研究表明，高速切削對提高復(fù)合材料的加工質(zhì)量具有明顯的效果［2］。但在高速切削過程中，不斷提高的滑動速度和摩擦應(yīng)力使刀具快速磨損。此外，由于復(fù)合材料的導(dǎo)熱性差，使得切削溫度快速上升，加快了刀具的磨損，往往需要多次修磨刀具或更換刀具才能完成切削，影響加工的效率和精度［3，4］。因此，刀具成為制約復(fù)合材料切削加工的瓶頸。

1 切削機理的研究發(fā)展

針對切削機理的研究主要集中在切削力、切削熱方面，20世紀80年代前，CFRP多數(shù)按金屬材料加工，不僅刀具磨損較快，而且工件常出現(xiàn)一些加工缺陷，如撕裂、分層、起毛等。1983年，Kpolve等人率先提出CFRP的切屑形成過程實質(zhì)是纖維斷裂的過程，并指出增強纖維取向的不同會影響加工的表面質(zhì)量。日本花崎伸作等人利用有限元方法對CFRP切削機理進行分析，認為CFRP在切削時的實際剪切面有兩個：一個垂直于纖維方向，另一個平行于纖維方向。切削時，纖維首先沿垂直于纖維方向面剪斷，然后沿平行于纖維方向面滑出，進而成為切屑［5］。國內(nèi)張厚江等人指出當CFRP的纖維方向與切削方向間的夾角改變時，切削變形分為纖維切斷型、層間分離型、彎曲切斷型等［6］。而關(guān)于切削熱的研究，目前主要集中在測試切削溫度方面。

有關(guān)CFRP切削機理方面的研究很多，但針對高速切削過程中刀具的摩擦機理、刀具材料、結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)等對切削熱和刀具磨損的影響等問題有待進一步的細致研究。

2 刀具磨損的研究

2.1 刀具磨損機理的研究

高速切削過程中的摩擦包括刀－屑、刀－工間的摩擦，它直接影響刀具失效（磨損和破損）和使用壽命。刀具磨損速率很大程度上取決于前刀面刀－屑接觸區(qū)的摩擦情況，而后刀面的刀－工摩擦力相對要小。艾興等人在高速銑削試驗中對刀具磨損表面形貌進行了觀察和分析，指出高速切削常規(guī)材料時，刀具磨損形態(tài)主要表現(xiàn)為前刀面磨損、后刀面磨損、微崩刃、剝落和破損等，而且前刀面磨損表現(xiàn)為切削刃處磨損最大的斜面磨損形式，隨著切削速度提高，磨損區(qū)域減小，但磨損深度增加［7］。龍震海等用硬質(zhì)合金刀具高速干式銑削高硬度、高強度的材料時發(fā)現(xiàn)刀具磨損發(fā)生變化，表現(xiàn)出前、后刀面磨損失效、主切削刃微崩以及刀尖崩塌等形式，刀具的主要失效形式為前刀面月牙洼磨損和前刀面剝落［8］。但在高速切削導(dǎo)熱性差的材料時，切削區(qū)域的劇烈摩擦產(chǎn)生大量的熱，無法及時散發(fā)，造成刀—屑摩擦副表面受熱作用大、深度淺、溫度梯度大，表面溫升將會引起刀—屑接觸區(qū)間原子或分子的擴散，造成材料表層物理—機械性能的改變以及摩擦性能（摩擦系數(shù)、摩擦力）和接觸面上的磨損形式發(fā)生變化［9］。

2.2 工件材料對刀具磨損的影響

CFRP具有碳纖維硬度大、材料各向異性、低導(dǎo)熱性的特點。切削時，刀具要承受基體和纖維的雙重磨損。在一定的切削長度下，硬質(zhì)點碳纖維連續(xù)磨耗刀具，加快刀具磨損。而相對于纖維，樹脂基體對刀具磨損的影響要小。文獻［10］以硬質(zhì)合金銑刀銑削CFRP，觀察刀刃破損的SEM圖發(fā)現(xiàn)，刀具前、后刀面均有磨損，但后刀面質(zhì)點磨損最嚴重。高速鉆削時，發(fā)現(xiàn)刀具磨損是從中心向外緣加大，且多發(fā)生在后刀面和橫刃處，尤以后刀面磨損最大［11］。這均是由于CFRP在切削過程中，切斷的硬質(zhì)碳纖維回彈，擠壓后刀面，從而增大了后刀面與被加工材料間的接觸壓力，高硬度的纖維斷口高速摩擦后刀面，使后刀面產(chǎn)生嚴重的質(zhì)點磨損。此外，由于CFRP的低導(dǎo)熱性，使大量的切削熱傳向刀具，加速了刀具的磨損。

近十幾年來，人們做了大量的試驗，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)，可以解決切削熱的問題，再選用耐熱性好的刀具材料，就可以控制刀具的磨損速度。

3 刀具材料、結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)的研究

3.1 刀具材料的研究

由于CFRP的切削加工朝著高精度、高速、干切削的方向發(fā)展，因此對刀具材料提出高硬度、耐熱、耐磨、抗粘結(jié)的要求。傳統(tǒng)的各種刀具材料都難以滿足該要求，尋找更適合的刀具材料以滿足CFRP長時間的穩(wěn)定高速切削成為趨勢。

巴西的J.R Ferreira等人研究刀具材料對CFRP切削的影響，采用車削方式，試驗包括陶瓷、硬質(zhì)合金、立方氮化硼（CBN）和聚晶金剛石等不同刀具材料，結(jié)果表明聚晶金剛石刀具具有非常高的耐磨性，特別適合CFRP等的高速切削加工［12］。龔清洪等人的試驗表明：CVD（化學氣相沉積）金剛石涂層刀具對CFRP的切削性能優(yōu)于聚晶立方氮化硼刀具和硬質(zhì)合金刀具［13］?？霞{金屬公司研究發(fā)現(xiàn)金剛石涂層刀具比未涂層刀具的壽命提高10倍，且12μm涂層刀具有最佳的壽命價格比［14］。

金剛石具有很高的硬度和彈性模量、良好的導(dǎo)熱性、很小的熱膨脹系數(shù)、低摩擦系數(shù)以及較低的斷裂韌性，除斷裂韌性不足外，金剛石是良好的超硬刀具材料［15］。人造金剛石（PCD）刀具有釬焊PCD刀片、在切削刃處燒結(jié)PCD和金剛石涂層等。隨著CVD、PVD（物理氣相沉積）技術(shù)在硬質(zhì)涂層的應(yīng)用發(fā)展，金剛石涂層可以大大改善刀具的切削性能。與PCD比，CVD膜金剛石有更高的耐磨強度、更好的熱傳導(dǎo)性、更長的使用壽命、更低的造價，但CVD涂層較厚，降低了切削刃的鋒利性，甚至會使切削刃的幾何形狀發(fā)生偏離。而PCD刀具在斷裂強度方面占有優(yōu)勢，近年發(fā)展的PVD涂層技術(shù)相比CVD涂層技術(shù)，具有沉積溫度低、不影響基體材料強度、涂層光滑、抗裂紋擴展能力強、環(huán)保等優(yōu)點。因此，PVD是未來發(fā)展的趨勢［16，17］。

3.2 刀具結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)的研究

CFRP加工中需解決的主要問題是切削熱和分層的問題。合理地選擇刀具的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)，可以減小切削力，利于斷屑、排屑，減少磨損，減少切削熱的產(chǎn)生，降低零件表面粗糙度。

CFRP在鉆孔時的粉末狀切屑主要集中在鉆頭的磨料層。鉆孔時，這些切屑對材料進行研磨，產(chǎn)生的大量熱無法及時散發(fā)，加速了鉆頭的磨損，降低了鉆頭壽命。大連輕工業(yè)學院的張偉等人對帶錐體的電鍍金剛石鉆頭與硬質(zhì)合金導(dǎo)向鉆頭合成的復(fù)合鉆進行研究發(fā)現(xiàn)：金剛石耐磨的特性能提高鉆頭的壽命；而采用分屑槽結(jié)構(gòu)則可以像麻花鉆的螺旋槽一樣容屑、排屑，使熱量及時散發(fā)，延長了刀具的使用壽命［18］。另外有的鉆頭采用中心直刃鉆尖設(shè)計，可以防止孔口出現(xiàn)撕裂；有的鉆頭采用八面體鉆尖結(jié)構(gòu)，其鉆尖副切削角具有自定位功能，且有更多的刀刃同時參與切削，延長了刀具壽命；還有一種雙刃帶結(jié)構(gòu)的定心階梯鉆頭，可以提高鉆削精度 。

目前銑削時常用螺旋刃立銑刀或直刃刀具，它們的切削刃都比較長，也不鋒利，增大了切削時的阻力，刀具更容易磨損。為此，研究人員將切削刃變短、變多，不僅使切削刃鋒利，而且大大降低了切削阻力，這種新型的“魚鱗式”銑刀在高速切削時，可以達到以銑代磨的效果。此外，為解決復(fù)合材料層間剪切強度低，銑削時產(chǎn)生層間分層的問題，人們將銑刀的側(cè)刃采用左右對稱雙螺旋刃結(jié)構(gòu)，很好地避免了分層或抽絲的現(xiàn)象［19，20］。

總之，尖銳的刀具切削角是減少切削熱的關(guān)鍵之一，建議刀具采用大正前角，以減小切削力，最大限度地減少發(fā)熱。適當增大刀具后角，防止刀具切削刃與工件摩擦發(fā)熱，增大刀尖圓弧，以改善散熱。為防止產(chǎn)生層間剝離，銑刀和鉆頭宜采用雙向螺旋式結(jié)構(gòu)［21］。

4 結(jié)束語

碳纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，對高速切削加工中刀具的切削質(zhì)量和性能、使用壽命及控制成本提出了更高的要求。隨著新型刀具材料的應(yīng)用、各種涂層技術(shù)的發(fā)展、刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的優(yōu)化，人們必將研制出更適合碳纖維復(fù)合材料高速切削的刀具。

［1］ 周鵬.碳纖維復(fù)合材料工件切削表面粗糙度測量與評定方法研究［D］.大連：大連理工大學，2011：8－11.

［2］ 徐宏海，徐倩，劉東.碳纖維復(fù)合材料高速銑削實驗研究［J］.機械設(shè)計與制造，2009（12）：167－169.

［3］ 顏聰明，林有希.高速切削摩擦學研究［J］.工藝與裝備，2010（10）：102－106.

［4］ 胡寶剛，楊志翔，楊哲.復(fù)合材料后加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.宇航材料工藝，2000（5）：24－27.

［5］ 鮑永杰.碳纖維增強復(fù)合材料鉆削的若干研究［D］.大連：大連理工大學，2006：4－38.

［6］ 張厚江，陳五一，陳鼎昌.碳纖維復(fù)合材料切削機理的研究［J］.航空制造技術(shù)，2004（7）：57－59.

［7］ 劉占強，艾興.高速切削刀具磨損表面形態(tài)研究［J］.摩擦學學報，2002，22（6）：468－470.

［8］ 龍震海，王西彬，劉志兵.高速銑削難加工材料時硬質(zhì)合金刀具前刀面磨損機理及切削性能研究［J］.摩擦學學報，2005，25（1）：83－86.

［9］ 鄭敏利，范依航.高速切削典型難加工材料刀具摩擦與磨損機理研究現(xiàn)狀［J］.哈爾濱理工大學學報，2011，16（6）：22－29.

［10］ 張毅.超聲振動銑削碳纖維復(fù)合材料刀具磨損研究［J］.機電工程技術(shù)，2010，39（6）：63－65.

［11］ 李桂玉，李劍峰，孫杰，等.硬質(zhì)合金鉆頭鉆削碳纖維增強復(fù)合材料工藝［J］.粉末冶金材料科學與工程，2010，15（6）：580－585.

［12］ Ferreira J R，Coppini N L，Neto F Levy.Characteris－tics of carbon－carbon composite turning［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，109（l）：65－71.

［13］ 龔清洪，林勇，夏雪梅，等.碳纖維復(fù)合材料數(shù)控加工研究［J］.機械設(shè)計與制造，2008（12）：176－177.

［14］ 張憲.如何切削加工復(fù)合材料［J］.工具展望，2013（1）：2－8.

［15］ 于啟勛，全燕鳴.超硬刀具切削復(fù)合材料的實驗研究［J］.河北科技大學學報，2002，23（2）：1－6.

［16］ 伊斯卡刀具國際貿(mào)易（上海）有限公司.先進復(fù)合材料機加工解決方案［J］.航空制造技術(shù)，2012（17）：106－107.

［17］ 林有希，高誠輝，唐旭晟.切削刀具PVD涂層技術(shù)的研究與發(fā)展［J］.機電技術(shù)，2003（S1）：88－92.

［18］ 張偉，張林波，楊繼新，等.鉆削碳纖維復(fù)合材料用鉆尖刃型分析［J］.航空制造工程，1997（5）：26－27.

［19］ 唐臣升.復(fù)合材料高效加工刀具技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2013（6）：47－51.

［20］ 李曉峰，李研，霍琰，等.加工復(fù)合材料銑刀的研制［J］.裝備制造技術(shù)，2011（4）：162－164.

［21］ 路宗新.碳纖維樹脂基復(fù)合材料銑削加工技術(shù)［J］.煤礦機械，2009，30（10）：102－103.