碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工技術(shù)研究進(jìn)展*

上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 王昌贏 文 亮 明偉偉 安慶龍 陳 明

中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司 張烘州

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）作為最具代表性的一種先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料，由于具有比強(qiáng)度高、比剛度大、優(yōu)良的耐腐蝕性和低熱膨脹系數(shù)等諸多優(yōu)點，其在航空航天、生物醫(yī)療、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

一般CFRP零件均為一次整體成型，但為滿足零件最終的形狀、尺寸和裝配要求，CFRP零件通常需要進(jìn)行銑削加工。隨著CFRP使用量的增加，銑削加工在CFRP加工中的需求量也越來越大[4]。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種典型的難加工材料。由于各向異性、非均勻性、層間結(jié)合強(qiáng)度低等特點，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在銑削加工中易出現(xiàn)表面分層、毛刺、表面粗糙度差、纖維拔出、撕裂等加工缺陷。此外，在CFRP的切削加工過程中，碳纖維的摩擦作用會使刀具加速磨損和刃口鈍化[5-6]，鈍化的切削刃在切削碳纖維時會因為不夠鋒利而加劇加工缺陷的發(fā)生，這給CFRP加工和應(yīng)用的企業(yè)帶來諸多困擾。

目前，國內(nèi)關(guān)于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工技術(shù)的研究還處于起步階段。為改進(jìn)CFRP切削加工工藝，必須從CFRP材料切削去除機(jī)理，切削刀具材料選用、刀具幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計和涂層處理，加工表面缺陷形式等方面開展系統(tǒng)、深入的研究。本文主要從以上幾個方面針對近年來國內(nèi)外對于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

銑削加工機(jī)理

CFRP的切削加工機(jī)理和金屬材料的切削加工機(jī)理是完全不同的。在切削材料去除過程中，CFRP材料沒有金屬材料切削中常見的塑性變形、剪切流動等材料變形過程，材料的主要去除形式為受到擠壓、剪切、彎曲、拉伸之后直接發(fā)生脆性斷裂。這主要是由碳纖維材料本身的屬性所造成的，碳纖維一般在受到較小程度的變形時就會引發(fā)脆性斷裂。由于CFRP層合板顯著的方向性，在不同纖維方向角下會形成不同的切削關(guān)系，相應(yīng)的材料去除機(jī)理和切屑形成機(jī)理也會有重要區(qū)別。

由于各向異性的存在，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的鋪層角度對CFRP的銑削過程有非常重要的影響。在銑削CFRP過程中，纖維方向角定義為刀具進(jìn)給速度方向沿逆時針與纖維方向所成的夾角，纖維切削角定義為刃口切削速度方向沿逆時針與纖維方向所成的夾角[7]。纖維切削角由纖維方向角和刀具旋轉(zhuǎn)角共同決定，3者之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 銑削CFRP層合板中纖維切削角、纖維方向角和刀具旋轉(zhuǎn)角之間關(guān)系

圖2 切削不同纖維方向的CFRP層合板典型加工表面

不同纖維方向的CFRP加工機(jī)理也差別巨大。圖2給出了不同纖維方向的CFRP在正交切削時所形成的典型加工表面[8-9]。可以發(fā)現(xiàn)，由于纖維切削角的存在，CFRP層合板表面加工質(zhì)量具有顯著的方向性，表面形貌和輪廓會隨著纖維切削角的不同而發(fā)生變化。在順纖維方向切削加工時，CFRP材料的表面加工質(zhì)量相對較好，表面輪廓平滑。在逆纖維方向切削加工時，CFRP材料的表面質(zhì)量明顯下降，出現(xiàn)周期性波動表面輪廓，并出現(xiàn)沿纖維方向向工件基體內(nèi)部擴(kuò)展裂紋的趨勢[8-9]。由此可見，纖維方向是影響CFRP表面加工質(zhì)量的重要因素。

圖3給出了切削加工不同纖維鋪層方向的CFRP層合板材料去除機(jī)理示意圖。當(dāng)纖維切削角θ=0°時，材料去除機(jī)理為平行于纖維方向的樹脂基體剪切斷裂以及垂直于纖維方向的擠壓彎曲斷裂，被剝離的碳纖維沿刀具前刀面流出，形成粉末狀切屑，屬于I型材料去除機(jī)理。當(dāng)纖維切削角0°＜θ＜90°時，切削狀態(tài)為逆纖維切削關(guān)系，材料去除機(jī)理為鋪層間首先發(fā)生90°層間拉伸斷裂并向次表層擴(kuò)展，隨后碳纖維在刀具推擠作用下發(fā)生彎曲斷裂和擠壓剪切分離，形成切屑，屬于III型材料去除機(jī)理。當(dāng)纖維切削角θ=90°時，材料去除機(jī)理為90°方向擠壓作用下的剪切斷裂分離，并在切削刃底部發(fā)生90°層間拉伸斷裂，形成微裂紋，屬于IV型材料去除機(jī)理。當(dāng)纖維切削角 90°＜θ＜180°時，材料去除機(jī)理為在切削刃作用下的剪切斷裂以及沿碳纖維方向的層間剪切分離，形成切屑，屬于V型材料去除機(jī)理。在逆纖維切削時，層間拉伸斷裂和擴(kuò)展易導(dǎo)致次表層分層缺陷的發(fā)生，因而表面質(zhì)量較差。而在90°及順纖維切削關(guān)系下，材料去除機(jī)理主要為擠壓作用下的剪切斷裂，消耗的能量多，故切削力較大。

圖3 不同纖維鋪層方向的CFRP層合板切削加工材料去除機(jī)理示意圖

除了纖維切削方向角，刀具前角和刀具切削刃鈍圓半徑也對CFRP材料去除機(jī)理有著重要影響。刀具前角為正前角時和負(fù)前角時材料的去除機(jī)理也是不一樣的。一般銑削加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料要求刀具切削刃具有鋒利的刃口，即采用正前角或0°前角切削。當(dāng)采用負(fù)前角切削時，一方面，降低了刃口的鋒利程度，不利于切削刃快速切斷纖維；另一方面，其切削機(jī)理也發(fā)生了變化。例如，切削加工0°方向的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板，當(dāng)?shù)毒咔邢魅袨樨?fù)前角時，切削刃前方的碳纖維受到平行于碳纖維方向的擠壓力，由于負(fù)前角的存在，切屑很難沿前刀面流出，而是堆積在刀具前刀面上，并引起二次擠壓力和二次斷裂，堆積到一定程度后才會沿前刀面排出，這屬于II型材料去除機(jī)理，II型切削加工狀態(tài)大大增加了切削力，同時使切削區(qū)溫度上升。

當(dāng)切削刃鈍圓半徑增大時，切削力會增大，實際上是形成了負(fù)前角切削狀態(tài)。負(fù)前角和大的刀具鈍圓半徑均不利于快速切斷碳纖維。通常，鋒利的刀具切削刃刃口半徑約5～20μm，而單根碳纖維的直徑約為5～8μm，過大的切削刃鈍圓半徑會使切削刃前方的CFRP鋪層受到擠壓，不僅增強(qiáng)了CFRP在后刀面上的回彈效應(yīng)，還進(jìn)一步加劇了CFRP與后刀面的摩擦，因而會消耗更多的能量，產(chǎn)生更多的摩擦熱量，使切削力增大，切削區(qū)溫度上升。

一般情況下，高切削速度有利于刀具快速切斷碳纖維，而較小的進(jìn)給速度則能夠獲得更小的表面粗糙度，因此，常用高切削速度和低進(jìn)給速度來加工CFRP以獲得更好的表面加工質(zhì)量。Schorník V等[10]在給定銑削速度下（75m/min）對CFRP層合板進(jìn)行銑削加工試驗，研究發(fā)現(xiàn)以加工表面粗糙度為優(yōu)化目標(biāo)得到最優(yōu)進(jìn)給量為200mm/min，而并非最小值150mm/min。Karpat等[11-12]采用直槽PCD銑刀槽銑加工CFRP單向?qū)雍习?，基于銑削力系?shù)，建立了銑削瞬時剛性力模型，得到了不同纖維切削角下的銑削力系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，軸向和切向銑削力系數(shù)隨切削力變化時近似呈正弦函數(shù)關(guān)系，得到了正弦函數(shù)擬合公式，并進(jìn)行了試驗驗證。

專用銑削加工刀具

1 刀具材料

由于碳纖維對刀具刃口的快速磨損作用，CFRP切削刀具應(yīng)具備較好的抗摩擦磨損性能。鋒利的切削刃口可以快速切斷碳纖維，減少分層、毛刺等加工缺陷的發(fā)生。良好的抗摩擦磨損性能能夠保持刀具鋒利切削刃口，而磨鈍的切削刃則可能引起大量的分層和毛刺等加工缺陷，導(dǎo)致加工精度下降。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要根據(jù)被加工零件的加工精度和表面加工質(zhì)量確定刀具磨損標(biāo)準(zhǔn)。因此，抗摩擦磨損性能和鋒利的切削刃口是CFRP銑削加工刀具所需具備的兩大關(guān)鍵性能。

目前，加工CFRP應(yīng)用較廣泛的主要有整體硬質(zhì)合金刀具、金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具和聚晶金剛石（Polycrystalline diamond，PCD）刀具。傳統(tǒng)的高速鋼或高速鋼涂層刀具在加工CFRP時會快速磨損，耐用度較低。陶瓷刀具因不具有很好的抗機(jī)械沖擊能力而不適宜用于CFRP的加工。

整體硬質(zhì)合金刀具價格最低，切削刃比涂層刀具鋒利，但磨損較快、耐用度也較低。其主要的磨損機(jī)理為磨粒磨損，磨損形式和失效形式主要為刃口鈍化。因此，如何保持硬質(zhì)合金刃口的鋒利度成為制約其應(yīng)用的主要因素[13]。

金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具采用化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）的方法在硬質(zhì)合金基體上沉積一層金剛石薄膜（2～10μm），以增強(qiáng)硬質(zhì)合金的抗磨損性能。涂層后，其切削刃鈍圓半徑相應(yīng)增大，鋒利程度相對下降，但刀具抗磨損性能好。其主要的磨損機(jī)理為磨粒磨損，磨損形式為涂層剝落，失效形式為刃口鈍化。目前，金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具使用較為廣泛。

PCD銑刀（聚晶金剛石刀具）通常焊接在硬質(zhì)合金基體上，然后再通過精密磨削刃口達(dá)到尺寸要求。其切削刃口半徑可以磨削得非常?。ㄍǔ?μm左右），表面磨削得非常平整，可以獲得非常鋒利的切削刃口，同時具有非常低的表面摩擦系數(shù)以及超高的硬度和強(qiáng)度，可以快速切斷纖維，減少加工缺陷，提高加工表面質(zhì)量，但是一方面PCD銑刀屬于硬脆材料，抗沖擊性能差，容易發(fā)生崩刃；另一方面，PCD刀具價格昂貴，因此主要應(yīng)用在對表面加工質(zhì)量和刀具壽命有較高要求的場合。

2 刀具結(jié)構(gòu)

針對CFRP層合板的加工，在刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則上主要以降低或抵消軸向切削力為原則。針對CFRP銑削加工，主要的刀具類型有小螺旋角銑刀、直槽銑刀、人字齒銑刀和Burr銑刀，如圖4所示。其中小螺旋角銑刀分為左螺旋和右螺旋銑刀兩種，較小的螺旋角可以降低軸向切削力，減小表面分層。直槽銑刀銑削CFRP時幾乎不產(chǎn)生軸向力，因而也可以減小表面分層。人字齒銑刀通過左螺旋齒和右螺旋齒相互抵消，降低或中和軸向切削力，減小表面分層。Burr銑刀齒形交錯，分散了軸向力，研究表明采用Burr銑刀可以減小加工缺陷，提高表面加工質(zhì)量，但有切屑堵塞的風(fēng)險，容屑空間較小，適合用于精加工，而直槽銑刀則能夠在CFRP層合板的粗加工中實現(xiàn)更高的切削速度和進(jìn)給速度，提高加工效率。

圖4 典型CFRP銑削加工專用刀具

Han等[14]通過試驗對比研究了人字齒和Burr銑刀側(cè)銑加工CFRP層合板，研究發(fā)現(xiàn)在相同的加工參數(shù)下，Burr銑刀可以獲得更小的切削力、刀具磨損量和更好的表面加工質(zhì)量。De Lacalle等[15]對比研究了用不同涂層的Burr銑刀和PCD銑刀銑削加工CFRP層合板，認(rèn)為PCD銑刀相比于其昂貴的售價不能達(dá)到相應(yīng)的高加工質(zhì)量。Hosokawa等[16]研究了銑削多向鋪層的CFRP單向?qū)雍习邈娤骷庸ぃl(fā)現(xiàn)大螺旋角刀具能夠減小切削力、減少刀具磨損，產(chǎn)生了更光滑和更少表面缺陷的加工表面，但大螺旋角刀具增大了軸向力，因而產(chǎn)生了更多的上下表面毛刺。Haddad等[17]通過試驗手段研究了用小螺旋角銑刀和Burr銑刀側(cè)銑CFRP層合板時銑削加工表面質(zhì)量和切屑粉塵顆粒大小分布。研究顯示，Burr銑刀相比于小螺旋角銑刀能獲得更好的表面加工質(zhì)量。切屑中出現(xiàn)的大量有害粉塵顆粒，大小比理論切屑尺寸小，這是由于在切削加工中的纖維斷裂所致。顆粒大小分布與刀具結(jié)構(gòu)和切削參數(shù)有關(guān)。

表面加工質(zhì)量

在銑削CFRP層合板時，主要的加工缺陷有上下表面分層（毛刺）、纖維抽出（表面凹陷）、加工表面微裂紋、纖維抽出（纖維脫粘）以及熱損傷（如樹脂降解）等幾種類型，如圖5所示。影響銑削表面加工質(zhì)量的因素主要有纖維鋪層方向、刀具刃口鋒利度和加工參數(shù)。

銑削不同纖維方向的CFRP層合板會導(dǎo)致不同的加工缺陷。碳纖維和玻璃纖維具有自潤滑效應(yīng)，所以在加工過程中易發(fā)生纖維的脫粘[18]。銑削0°纖維方向的單向CFRP層合板容易產(chǎn)生纖維抽出和纖維脫粘；銑削90°纖維方向的單向CFRP層合板容易產(chǎn)生表面微裂紋；銑削45o逆纖維方向單向CFRP層合板時，由于切削刃切出時處于逆纖維切削狀態(tài)，表面呈現(xiàn)波浪狀起伏，纖維抽出和樹脂凹陷并存，導(dǎo)致了表面質(zhì)量的嚴(yán)重下降。刀具在刃口鈍化的情況下加工將會導(dǎo)致切削力增大，產(chǎn)生各種加工缺陷。熱損傷則主要是由于采用了不合適的加工參數(shù)導(dǎo)致，如過高的切削速度會產(chǎn)生大量切削熱，達(dá)到樹脂的玻璃化溫度后，樹脂就會發(fā)生降解，更容易與碳纖維分離，因而更容易導(dǎo)致纖維脫粘、纖維抽出以及表面凹陷等表面加工缺陷。

圖5 銑削CFRP時主要的加工缺陷

Hintze等[7]采用直槽PCD銑刀槽銑削不同纖維方向角的單向CFRP層合板，研究發(fā)現(xiàn)表面分層（毛刺）只發(fā)生在90°～180°纖維切削角的區(qū)域內(nèi)，而幾乎不受纖維方向角影響。周井文等[19]通過銑削試驗研究了纖維鋪層方向?qū)FRP層合板銑削加工表面形貌的影響，研究發(fā)現(xiàn)0°方向纖維表面破碎樹脂與纖維的殘留隨著進(jìn)給量的增大而增多；135°方向纖維表面樹脂粘附逐漸減??；90°方向纖維表面會有大小不同的微坑，同時在樣件上下表面易產(chǎn)生分層缺陷；45°方向纖維表面多呈現(xiàn)溝槽或波浪形形貌。Geis等[20]在對CFRP進(jìn)行銑邊加工時，采用在工件上表面臨近邊界處預(yù)加工出凹槽的方法，顯著降低了銑削加工分層、毛刺等缺陷。Hosokawa A等[16]研究了銑削多向鋪層的CFRP單向?qū)雍习邈娤骷庸?，發(fā)現(xiàn)不同角度的鋪層對刀具的磨損量是不一樣的，其中90°纖維切削角方向和135°順纖維方向磨損量較大，而45°逆纖維方向磨損量最小，刀具磨損量大小和切削力大小關(guān)系一致。Nor Khairusshima等[21]在銑削加工CFRP層合板時采用冷氣流的方法以降低切削區(qū)溫度，研究發(fā)現(xiàn)，相比于不采用冷氣流降溫，刀具耐用度可提高30%～45%，同時也改善了表面加工質(zhì)量。

結(jié)論

本文主要針對近年來國內(nèi)外對于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，在CFRP層合板切削加工機(jī)理、刀具設(shè)計以及銑削加工缺陷等方面可以得到如下結(jié)論。

（1）纖維切削角是影響CFRP層合板加工狀態(tài)最重要的因素，不同纖維切削角下，CFRP材料去除機(jī)理不同，具體表現(xiàn)為切削力及表面加工表面質(zhì)量差異明顯。

（2）CFRP切削刀具選用應(yīng)主要考慮提高抗磨損能力和刃口鋒利程度，刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)主要以降低或抵消軸向切削力為原則，以減小加工缺陷。

（3）CFRP層合板表面加工缺陷主要包括表面分層（毛刺）、表面凹陷、加工表面微裂紋、纖維脫粘以及熱損傷，且主要受纖維切削角和刀具刃口鋒利程度影響。

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