銑削玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板實(shí)驗(yàn)研究* ＊

于東民 劉菊東 葉銜真 楊小璠 晉家偉

(①集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門361021;②集美大學(xué)工程訓(xùn)練中心，福建 廈門361021)

碳纖維蜂窩板是一種特殊的高強(qiáng)輕質(zhì)復(fù)合材料。由較薄的碳纖維復(fù)合材料為上、下面板，厚而輕的蜂窩結(jié)構(gòu)為芯子，組成夾層結(jié)構(gòu)，具有比強(qiáng)度高、比剛度高、隔熱隔振、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代衛(wèi)星、飛行器結(jié)構(gòu)的主要承力結(jié)構(gòu)［1-2］，目前已擴(kuò)展到列車、船舶、建筑裝修等各領(lǐng)域，但由于碳纖維具有一定的導(dǎo)電性，故常在碳纖維上鋪一層絕緣的玻璃纖維?，F(xiàn)階段蜂窩板的研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)問題，但對(duì)于碳纖維蜂窩板的切削加工卻研究甚少。碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料均屬于難加工材料，切削加工過程中容易產(chǎn)生分層、撕裂、毛刺、拉絲等缺陷，且刀具磨損嚴(yán)重［3-5］;蜂窩芯為薄壁結(jié)構(gòu)，切斷性能差，加工過程中易坍塌破損［6］。因此，對(duì)于碳纖維蜂窩板的切削加工問題亟待研究。本文以銑削玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了3 種不同刀具和不同銑削寬度對(duì)刀具磨損和工件加工質(zhì)量的影響，并選出適合加工玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板的刀具。

1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)材料采用玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板，尺寸為:320 mm ×320 mm ×7.5 mm(長(zhǎng)×寬×高)。其面板為玻璃纖維/碳纖維層壓板，板厚1.1 mm，共5層，最外層為網(wǎng)狀玻璃纖維，另4 層為TR50 碳纖維，鋪層方向分別為90°/0°/90°/0°，中間夾層是正六邊形的芳綸紙蜂窩。試驗(yàn)刀具采用硬質(zhì)合金銑刀、人字形CVD(chemical vapor deposition，化學(xué)氣相沉積法)金剛石薄膜涂層銑刀和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀，如圖1 所示;刀具詳細(xì)參數(shù)見表1。

銑削試驗(yàn)在TJ -700 型數(shù)控銑床上進(jìn)行，側(cè)邊銑玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板，銑削條件:主軸轉(zhuǎn)速n=6 500 r/min，工件進(jìn)給速度vf=200 mm/min，銑削寬度ae分別為1、2、3、4 mm，采取順逆組合方式，往復(fù)銑削4 m。每組銑削完，觀察試件加工質(zhì)量，用數(shù)碼相機(jī)記錄切削情況，用keyence VK-X100 超景深三維顯微鏡觀察刀具后刀面磨損形貌并測(cè)量磨損量VB 值。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇多刃磨損量的平均值作為VB 值。

表1 試驗(yàn)刀具參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損

圖2 為銑削試驗(yàn)中3 種不同刀具隨銑削寬度變化的后刀面磨損曲線圖。如圖所示:3 種刀具的后刀面磨損量VB 都隨著銑削寬度的增加而增大。其中，硬質(zhì)合金銑刀后刀面磨損量VB 最大，人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀的磨損量則相對(duì)較小，且磨損量相近，從整體來看人字形涂層銑刀磨損量略小。

圖3 為3 種刀具在n =6 500 r/min，vf=200 mm/min，ae=3 mm 條件下銑削的后刀面磨損形貌，3 組圖片都是在keyence VK -X100 超景深三維顯微鏡下拍攝。對(duì)比發(fā)現(xiàn):硬質(zhì)合金銑刀后刀面的磨損區(qū)域大(VB=74 μm)，刀刃磨損嚴(yán)重，刀刃邊界發(fā)暗發(fā)虛，刀刃鈍圓變大;人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀后刀面磨損區(qū)域相對(duì)較小(VB 分別為47、49 μm)，刀刃邊緣處金剛石涂層被磨穿，露出銀白色基體，在基體與未磨金剛石涂層間有一狹長(zhǎng)過渡區(qū)，金剛石涂層并未脫落，被磨得更為光滑，刀刃邊界也較硬質(zhì)合金銑刀更為清晰，磨損程度小。

造成以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的主要原因是:(1)在銑削寬度小于刀具半徑時(shí)，隨著銑削寬度的增加，最大銑削厚度隨之增加，切削層的平均切削面積相應(yīng)增大，單位時(shí)間內(nèi)刀具的磨粒磨損更加嚴(yán)重，從而導(dǎo)致刀具磨損也隨之增加。(2)作為面板的玻璃纖維/碳纖維層壓板是一種多相固體材料，硬度高，導(dǎo)熱性差。切削過程中，脆硬的碳纖維發(fā)生彈性恢復(fù)，摩擦、擠壓后刀面，并在高溫條件下不斷對(duì)后刀面進(jìn)行“微切削”，導(dǎo)致硬質(zhì)合金銑刀磨損嚴(yán)重。而CVD 金剛石薄膜涂層刀具通過化學(xué)氣相法在硬質(zhì)合金基體上沉積了一層金剛石薄膜，該涂層具有硬度高(高達(dá)HV8000)、耐磨、摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱性強(qiáng)等特點(diǎn)，進(jìn)而大大提高了刀具的硬度和耐磨性，減小了加工過程中的摩擦力和切削熱，從而減小刀具磨損。即便部分涂層脫落，后刀面涂層仍起到支撐作用，減緩刀刃磨損，故而涂層刀具的后刀面磨損量要遠(yuǎn)小于硬質(zhì)合金刀具。(3)由表1 刀具幾何參數(shù)可知，人字形涂層銑刀的前角和螺旋角均略大于菱齒涂層銑刀，較大的螺旋角可增大實(shí)際前角，而適當(dāng)?shù)卦龃笄敖强梢詼p小切削力、切削熱和功率，在一定程度上減緩硬質(zhì)點(diǎn)的磨粒磨損，使得人字形CVD 金剛石薄膜涂層銑刀的后刀面磨損量要略小于菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀。

2.2 刀具對(duì)加工質(zhì)量的影響

2.2.1 面板加工質(zhì)量

圖4、5、6 分別為3 種刀具在n =6 500 r/min，vf=200 mm/min，ae=2 mm 條件下銑削的蜂窩板形貌。觀察發(fā)現(xiàn):圖4 上面板最外層有大量長(zhǎng)而密的玻璃纖維向上揚(yáng)起，形成不規(guī)則毛刺，平均長(zhǎng)度約7.1 mm，下面板上側(cè)也有一簇簇密集的黑色碳纖維毛刺;圖5 上、下面板最外層的玻璃纖維毛刺均短而稀疏，平均長(zhǎng)度約1.8 mm，同時(shí)，下面板上側(cè)有少許黑色短碳纖維毛刺;圖6 上、下面板的碳纖維毛刺幾乎沒有，而下面板下側(cè)的玻璃纖維毛刺要長(zhǎng)于上面板上側(cè)，但毛刺的長(zhǎng)度和密集度都明顯較小，平均長(zhǎng)度約2.7 mm。因此，在銑削玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板試驗(yàn)中，3 種刀具的加工質(zhì)量相差甚大，硬質(zhì)合金銑刀的切削效果最差，蜂窩板上的玻璃纖維和碳纖維毛刺長(zhǎng)而密;人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀的切削效果較好，玻璃纖維和碳纖維的切斷率高，前者玻璃纖維的切削效果最好，后者碳纖維的切削效果最佳。

2.2.2 芳綸紙蜂窩芯加工質(zhì)量

對(duì)比觀察圖4、5、6 發(fā)現(xiàn):硬質(zhì)合金銑刀銑削蜂窩板時(shí)，芳綸紙蜂窩芯條并未切斷，而是被刀刃擠向板內(nèi)側(cè)，芯條普遍較長(zhǎng);人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀銑削蜂窩板時(shí)，芯條仍未完全切斷，但芯條卻相對(duì)變短，尤其是圖6 中的芳綸紙蜂窩芯條，短而整齊。由此可見，3 種刀具均未能在n =6 500 r/min，vf=200 mm/min，ae=2 mm 的條件下將芯條完全切斷，但菱齒CVD 金剛石涂層銑刀在三者中切削效果最好，芯條長(zhǎng)度最短，蜂窩結(jié)構(gòu)也未被破壞。

2.2.3 刀具對(duì)加工質(zhì)量影響的分析

碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料均屬于難加工材料，在機(jī)械加工過程中易產(chǎn)生抽絲、毛刺、撕裂、分層等等缺陷，纖維切斷性差，而芳綸紙蜂窩芯為薄壁結(jié)構(gòu)，屬于柔性高分子材料，低剛度、韌性強(qiáng)，當(dāng)受切削力作用時(shí)芯條會(huì)產(chǎn)生彎曲，使得無法從根部有效切斷［7］。因此，加工該種材料時(shí)，刀具的鋒利性是關(guān)鍵影響因素之一。

刀具鋒利性受刀具幾何角度、安裝與運(yùn)動(dòng)以及實(shí)際加工過程、刀具磨損等因素的影響［8］。由表1 所示的刀具幾何參數(shù)可知，人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀的前角均大于硬質(zhì)合金銑刀，刀具更加鋒利。此外，隨著加工的進(jìn)行，刀具磨損嚴(yán)重，切削刃鈍圓半徑不斷增大，刀刃也將隨之變鈍。由于硬質(zhì)合金銑刀的磨損速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩涂層刀具，故而其變鈍速度也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩涂層銑刀。因此，從刀具鋒利角度看，硬質(zhì)合金銑刀的切削效果最差，玻璃纖維和碳纖維毛刺長(zhǎng)而密，蜂窩芯芯條也較長(zhǎng)，而人字形和菱齒CVD金剛石薄膜涂層銑刀的切削效果較好，玻璃纖維、碳纖維和蜂窩芯芯條的切斷率高，其中，菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀前角最大，且為不連續(xù)的菱齒刃，在高速銑削中，更易將較質(zhì)軟的薄壁結(jié)構(gòu)切碎，故而對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)切削效果最好。

另一方面，刃形是該試驗(yàn)毛刺的關(guān)鍵影響因素之一。硬質(zhì)合金銑刀為右螺旋銑刀，在銑削過程中，受力如圖7a 所示，上、下面板的上側(cè)纖維在力F 作用下向上拔起，使得最外側(cè)纖維被拉出而不是剪斷，形成拉絲、毛刺，且切屑沿著容屑槽向柄部排出，在未切斷玻璃纖維表面堆積，導(dǎo)致面板上表面加工質(zhì)量差。人字形CVD 金剛石薄膜涂層銑刀銑削時(shí)，上、下面板最外側(cè)的玻璃纖維均受到指向板內(nèi)側(cè)的力F1、F2，如圖7b所示，避免了最外側(cè)纖維被拉出，但下面板上側(cè)的碳纖維仍受到斜向上的力F2，故該面板上側(cè)有少量碳纖維毛刺形成。菱齒CVD 金剛石涂層銑刀為不連續(xù)刃銑刀，相鄰兩齒的最大間距為2.6 mm，銑削加工時(shí)，厚1.1 mm 的面板可位于相鄰的兩齒間，使得面板的上、下側(cè)均受到指向內(nèi)側(cè)的銑削力，如圖7c 所示，面板的玻璃纖維和碳纖維均能有效切斷。但試驗(yàn)中上、下面板玻璃纖維的切斷率卻出現(xiàn)了不同情況，根據(jù)刀具磨損痕跡分析，此時(shí)面板并未夾在相鄰兩齒間。

3 結(jié)語

(1)在其他切削參數(shù)相同的情況下，隨著銑削寬度的增加，刀具磨損都隨之增加。其中，硬質(zhì)合金銑刀磨損最嚴(yán)重，磨損量遠(yuǎn)大于金剛石涂層銑刀。

(2)在銑削玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板試驗(yàn)中，硬質(zhì)合金銑刀的切削效果最差，蜂窩板上有大量長(zhǎng)而密的玻璃纖維和碳纖維毛刺，芳綸紙蜂窩芯條也未能切斷。人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀的纖維切斷率高，蜂窩芯條變短，其中，前者玻璃纖維的切削效果最好，后者碳纖維的切削效果最佳。

(3)人字形和菱齒CVD 金剛石薄膜涂層銑刀均可以用于加工玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板。

［1］龍國(guó)榮，肖忠芬，王兆明. 碳纖維復(fù)合材料面板-Nomex 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)方向舵的研制［J］. 航空制造工程，1995(5):18 -20.

［2］Vijayakumar S. Parametric based design of CFRP honey -comb sandwich cylinder for a spacecraft［J］. Composite Structures，2004，65(1):7 -12.

［3］Oliver Pecat，Ekkard Brinksmeier. Influence of milling process parameters on the surface integrity of CFRP［J］. Procedia CIRP，2012(1):466-470.

［4］楊廣勇，李漢民，周渠，等. 玻璃纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的切削加工［J］.電子工藝技術(shù)，1994(5):3 -6.

［5］Bhat D G，Johnson D G，Malshe A P H. A preliminary investigation of the effect of post -deposition polishing of diamond films on the machining behavior of diamond -coated cutting tools［J］. Diamond ＆ Amp，Related Materials，1995，4(7):921 -929.

［6］章令暉，韓宇，沃西源，等. 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)常見制造缺陷分析［J］.航天返回與遙感，2006(1):57 -61.

［7］柯映林，金成柱，劉剛. 芳綸紙蜂窩芯高速銑削加工工藝的優(yōu)化［J］. 中國(guó)機(jī)械工程，2006(12):1299 -1302.

［8］張麗萍，陳明，顧立志. 刀具鋒利性及其衡量指標(biāo)初探［J］. 機(jī)械工程師，1997(6):9 -10.