涂層硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料磨損機(jī)理

尚曉峰，高石鑫

(沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽 110136)

?

涂層硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料磨損機(jī)理

尚曉峰，高石鑫

(沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽 110136)

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料切削過程中刀具磨損的問題，采用涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)碳纖維復(fù)合材料管材試件進(jìn)行了切削試驗(yàn)。對(duì)切削過程中的刀具磨損形態(tài)、磨損原因和磨損規(guī)律進(jìn)行了研究，并分析了切削速度對(duì)刀具磨損的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損發(fā)生在后刀面和切削刃處,刀尖圓弧處磨損最嚴(yán)重，出現(xiàn)凹坑，刀具磨損后期，后刀面上有黑色粘結(jié)物。刀具磨損原因主要是磨粒磨損，刀具磨損速度較快，刀具壽命低，并且切削速度的增加對(duì)刀具磨損的影響十分明顯。

碳纖維復(fù)合材料；涂層硬質(zhì)合金刀具；刀具磨損；切削速度

0 引言

碳纖維復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)度和比模量，耐高溫、耐疲勞、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。目前已被廣泛應(yīng)用于航空、國防和交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)件以及體育用品中[1]。碳纖維復(fù)合材料是各向異性材料，碳纖維復(fù)合材料由增強(qiáng)材料和基體材料構(gòu)成，其中增強(qiáng)材料碳纖維硬度大，并且具有極強(qiáng)的研磨性，基體材料樹脂具有較低的熱傳導(dǎo)率和較低的延展性。由于碳纖維復(fù)合材料具有以上特性，所以在切削加工中會(huì)出現(xiàn)很多問題，主要的問題是嚴(yán)重的刀具磨損和低劣的表面質(zhì)量。

已經(jīng)有國內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維復(fù)合材料加工過程中的刀具磨損機(jī)理進(jìn)行了研究。日本學(xué)者花崎伸作等[2]分析了碳纖維復(fù)合材料切削加工中最大的問題是嚴(yán)重的刀具磨損和低劣的表面質(zhì)量，刀具磨損主要是后刀面磨損。

目前，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的后加工仍以硬質(zhì)合金刀具為主，碳纖維復(fù)合材料切削加工過程中易發(fā)生嚴(yán)重的刀具磨損[3]，所以對(duì)碳纖維復(fù)合材料切削過程中的硬質(zhì)合金刀具磨損機(jī)理進(jìn)行了研究。

試驗(yàn)以涂層硬質(zhì)合金刀具車削碳纖維復(fù)合材料管材為研究對(duì)象，對(duì)切削過程中涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損形態(tài)、磨損原因以及磨損規(guī)律進(jìn)行了研究，并對(duì)切削速度對(duì)刀具磨損的影響進(jìn)行了分析。

1 切削試驗(yàn)

1.1 工件材料

試驗(yàn)采用的被切削試件材料為采用纖維纏繞法制成的碳纖維復(fù)合材料管材，如圖1所示。增強(qiáng)纖維材料為直徑7μm的PAN系(聚丙烯腈)高強(qiáng)度碳纖維，纖維體積含有率為50%，基體材料為熱固性樹脂環(huán)氧樹脂，試驗(yàn)采用的碳纖維復(fù)合材料管材外徑為74mm，內(nèi)徑為58mm，其力學(xué)性能如表1所示。

圖1 碳纖維復(fù)合材料管材試件

1.2 刀具材料及幾何參數(shù)

為了研究涂層硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料過程中刀具的磨損機(jī)理，試驗(yàn)選取了一種常用的YT類涂層硬質(zhì)合金刀具，刀具表面通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法在硬質(zhì)合金基體上涂敷晶粒極細(xì)的硬度和耐磨性較高TiN和Al2O3，以提高刀具的耐磨性。

為了試驗(yàn)的方便選取了可轉(zhuǎn)位數(shù)控車刀，所選數(shù)控刀桿型號(hào)為MTGNR2525M16右偏刀?？赊D(zhuǎn)位刀片安裝后刀具的幾何參數(shù)為：刀具前角γ0=6°后角α0=6°，刀尖圓弧半徑rε=0.5mm，刀具主偏角κr=91°，下圖為試驗(yàn)所選用的刀桿和刀片。

圖2 試驗(yàn)中使用的刀桿和刀片

1.3 切削試驗(yàn)方案

切削試驗(yàn)在CA6140普通車床上進(jìn)行，采用干式切削，刀具切削一定的路程后，取下刀片，用數(shù)碼顯微鏡觀察刀具前刀面和后刀面的磨損形態(tài)，并對(duì)后刀面磨損寬度進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)中分別采用兩種速度進(jìn)行對(duì)碳纖維復(fù)合材料試件進(jìn)行干式切削，切削參數(shù)為：切削速度v=104m/min、165m/min，進(jìn)給量f=0.24mm/r，切削深度為ap=2mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損形態(tài)

切削碳纖維復(fù)合材料過程中，刀具的磨損形態(tài)主要表現(xiàn)為后刀面磨損和靠近切削刃處的邊界磨損。碳纖維復(fù)合材料屬于難加工材料，在切削加工過程中，在切削刃的切割作用下形成已加工表面，切削刃受到基體材料樹脂和增強(qiáng)材料碳纖維的雙重摩擦，特別是高硬度碳纖維對(duì)切削刃的摩擦作用，使切削刃發(fā)生磨損；同時(shí)，切削加工形成的已加工表面，由于切斷的碳纖維發(fā)生彈性回彈并擠壓后刀面，增加了后刀面與已加工表面的壓力，纖維斷口不斷磨損后刀面，從而導(dǎo)致了后刀面的磨損。圖3為涂層硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料切削距離分別為L(zhǎng)=137m和L=374m時(shí)前刀面、主后刀面及副后刀面的磨損形態(tài)圖。

圖3 涂層硬質(zhì)合金刀具磨損形態(tài)

觀察刀具前刀面的磨損形態(tài)，前刀面并沒出現(xiàn)在金屬切削過程中經(jīng)常出現(xiàn)的前刀面月牙洼磨損，是因?yàn)樘祭w維切削過程與金屬切削有所不同，碳纖維復(fù)合材料切削過程中，碳纖維在應(yīng)力的作用下，幾乎不發(fā)生塑性變形，切屑主要是粉末狀切屑，切屑不會(huì)摩擦前刀面，所以只在靠近切削刃和刀尖圓弧處發(fā)生邊界磨損，沿著主切削刃和刀尖圓弧呈現(xiàn)出帶狀磨損區(qū)域。刀尖圓弧處的區(qū)域磨損嚴(yán)重，刀具表面的TiN和Al2O3涂層被磨穿，露出硬質(zhì)合金基體，這是由于刀尖圓弧處的切削溫度過高，導(dǎo)致了磨損的加劇。磨損區(qū)域隨著遠(yuǎn)離刀尖圓弧處，磨損程度逐漸降低，磨損區(qū)域只是TiN涂層被磨穿，并露出黑色的Al2O3涂層。對(duì)比切削長(zhǎng)度增加時(shí)的刀具前刀面磨損情況，磨損區(qū)域的長(zhǎng)度雖然沒有明顯增加，但可以明顯觀察到磨損區(qū)域的磨損程度的增強(qiáng)，整個(gè)磨損區(qū)域的TiN和Al2O3涂層均被磨穿，露出硬質(zhì)合金基體。

用涂層硬質(zhì)合金刀具車削碳纖維復(fù)合材料刀具磨損主要是后刀面磨損，觀察刀具主后刀面的磨損形態(tài)，主后刀面的磨損呈現(xiàn)出三角形的帶狀磨損，靠近刀尖處的磨損寬度最大，隨著逐漸遠(yuǎn)離刀尖，磨損寬度逐漸減小。碳纖維復(fù)合材料切削過程中，主后刀面與工件上的過渡表面接觸，由于切削刃不斷切割碳纖維復(fù)合材料工件，過渡表面并不是光滑的表面，而是很粗糙的，有許多被切斷碳纖維伸出，碳纖維的硬度高，有很強(qiáng)的磨蝕作用，在高速下主后刀面不斷被其摩擦，導(dǎo)致主后刀面發(fā)生磨損。隨著切削距離的增加，對(duì)比切削長(zhǎng)度增加時(shí)的刀具主后刀面磨損情況，可以觀察到磨損區(qū)域?qū)挾鹊拿黠@增加，磨損程度也有所加深，并且在后刀面磨損區(qū)域下方的附近的區(qū)域有明顯的黑色粉末狀粘結(jié)物，粘結(jié)物主要是基體樹脂受熱碳化造成的。

觀察刀具的副后刀面，也發(fā)生了嚴(yán)重的磨損，磨損區(qū)域呈現(xiàn)為三角形,靠近刀尖圓弧處的磨損寬度最大，磨損程度最深。圖4為后刀面刀尖圓弧處的局部放大圖，可以觀察到后刀面刀尖圓弧處磨損很嚴(yán)重，出現(xiàn)了明顯的凹坑。在切削碳纖維復(fù)合材料過程中，副后刀面與已加工表面相接處。在金屬切削的過程中也會(huì)發(fā)生副后刀面的磨損，但是相比之下碳纖維復(fù)合材料切削過程中副后刀面的磨損更為嚴(yán)重。這是由于碳纖維復(fù)合材料在切削過程中，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副后刀面，加速了刀具的磨損。

圖4 后刀面刀尖圓弧處磨損形態(tài)

2.2 刀具磨損規(guī)律

由于硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料過程中后刀面磨損較為嚴(yán)重，所以通過對(duì)刀具后刀面磨損區(qū)域的檢測(cè)來研究硬質(zhì)合金刀具的磨損規(guī)律。圖5為后刀面磨損寬度隨切削長(zhǎng)度增加的變化規(guī)律圖。

(v=104m/min f=0.24mm/r ap=2mm)

圖5所示為切削速度為104m/min時(shí)的刀具磨損曲線，由圖可知，后刀面磨損過程大致可以分為三個(gè)階段。從開始切削到切削距離為300m左右這一階段，后刀面的磨損量的增量較大，在圖上表現(xiàn)出為磨損曲線的斜率較大，主要原因是新的刀片刃口比較鋒利，后刀面與加工表面接觸面積較小，接觸應(yīng)力較大，很快使后刀面靠近切削刃處被磨平。切削距離從300m到700m左右這一階段，后刀面的磨損仍然不斷增加，但磨損增量有所降低，在圖上表現(xiàn)為磨損曲線的斜率減小，由于上一階段在后刀面靠近切削刃處被磨平的緣故，使后刀面與加工表面的接觸面積增大，它們之間的接觸應(yīng)力減小，并且由于接觸面積的增大，提高的刀具的散熱能力，從而使磨損量增大的速度降低了。隨著切削距離的增加，切削距離在700m到850m之間時(shí)，相比上一階段的磨損，磨損曲線的斜率增大了，即刀具的磨損速度加劇了，這是由于切削刃不斷被磨蝕導(dǎo)致刃口變鈍，從而引起了切削力的增大、切削溫度上升，刀具耐用度降低，導(dǎo)致刀具磨損加速。

2.3 切削速度對(duì)刀具磨損的影響

分析切削碳纖維復(fù)合材料過程中切削速度對(duì)刀具磨損的影響，采用切削深度a=2mm，進(jìn)給量f=0.24mm/r，切削距離L=137m，并分別選取兩種切削速度v1=104m/min，v2=165m/min切削碳纖維復(fù)合材料管材。上述切削試驗(yàn)完成后，通過數(shù)碼顯微鏡觀察得到如下的不同切削速度下的刀具磨損圖。

圖6 不同切削速度下的刀具磨損圖

觀察并對(duì)比不同切削速度下的刀具磨損圖，可以發(fā)現(xiàn)隨著切削速度的提高，前刀面切削刃附近磨損區(qū)域的長(zhǎng)度大致相同，但磨損深度加深，同樣，主后刀面的磨損寬度也加大了。觀察副后刀面，在高速切削下，刀具磨損區(qū)域的長(zhǎng)度和磨損程度都增加了，加工過程中副后刀面與已加工表面接觸，切削速度增加，導(dǎo)致已加工表面的碳纖維彈性回彈增大，增大了后刀面與已加工表面接觸面積和壓力，從而使摩擦加劇，切削速度的增大對(duì)刀具磨損的影響十分明顯。

3 結(jié)論

利用涂層硬質(zhì)合金刀具切削碳纖維復(fù)合材料管材試件，分析了硬質(zhì)合金刀具的磨損形態(tài)、磨損原因和磨損規(guī)律，并分析了切削速度對(duì)刀具磨損的影響。通過試驗(yàn)并分析得出如下結(jié)論：

(1)采用干式切削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損形態(tài)為后刀面的劃痕磨損和刀尖圓弧的凹坑磨損以及前刀面靠近切削刃處的磨損，刀具磨損原因是高硬度的碳纖維造成的硬質(zhì)點(diǎn)磨損為主并伴隨有粘結(jié)磨損。

(2)從刀具磨損規(guī)律上看切削碳纖維復(fù)合材料時(shí)刀具磨損大致可以分為三個(gè)階段，和切削金屬材料的磨損規(guī)律相似，但切削時(shí)碳纖維復(fù)合材料的刀具壽命更低。

(3)切削速度對(duì)刀具磨損的影響比較明顯，隨著切削速度的增加，刀具磨損程度明顯增加。

[1] 沈觀林，胡更開. 復(fù)合材料力學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2] 花崎伸作. CFRP切削におけゐ工具摩耗機(jī)構(gòu)[A]. JSME C.日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集[C].日本：日本機(jī)械學(xué)會(huì)，1994，60(1):297-302.

[3] 胡寶剛,趙建設(shè),李德茂. 碳纖維復(fù)合材料的切削加工工藝[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),1994(5):48-52,77.

[4] 劉浩文,程寓,蘇飛. PCD成型銑刀銑削CFRP的試驗(yàn)研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014(5):19-22.

[5] 王明海,徐穎翔,劉大響,等. 碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔刀具磨損研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化,2015(4):40-44.

[6] 張厚江,樊銳,陳五一,等. 高速鉆削碳纖維復(fù)合材料鉆削力的研究[J]. 航空制造技術(shù),2006(12):76-79,82.[7] 蔡曉江,邱坤賢,王呈棟,等. 航空高強(qiáng)度碳纖維單向?qū)雍辖Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料在切削過程中的各向異性行為研究[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2014,46(5):684-693.

[8] 魏良耀,程寓. 涂層鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料的軸向力研究[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床,2013(1):141-144.

[9] 魏良耀. 碳纖維復(fù)合材料鉆削軸向力及刀具磨損的試驗(yàn)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2013.

[10] 郭鈴,林有希. 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高速切削刀具研究現(xiàn)狀[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化,2014(5):220-221,224.

[11] 葉銜真. 碳纖維復(fù)合材料制件切削工藝優(yōu)化[D]. 廈門:集美大學(xué),2014.

[12] 佟沐霖. 碳纖維復(fù)合材料鉆削過程仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2014.

[13] Chung Shin Chang. Prediction of Cutting forces in Turning of Carbon-Fiber-Reinforced Plastics (CFRP) Composite[C]. The 14th National Conference on Sound and Vibration, Ilan,2006.

(編輯 李秀敏)

Wear Mechanism Coated Cemented Carbide Tool during Cutting of CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics)

SHANG Xiao-feng, GAO Shi-xin

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136,China)

According to the severe tool wear during cutting of carbon fiber reinforced plastics, a turning experiment of carbon fiber reinforced plastics pipe was conducted using Coated Cemented Carbide tools, including the wear formation of coated cemented carbide, wear reason and wear regulation were studied, and the influence of cutting speed on tool wear were analyzed. The results show that the Coated Cemented Carbide tool wear mainly occurs in the flank face and cut edge, the corner of tool nose worn most seriously, with some pits on there. At the end of tool wear, there are some black dung bonding materials on the flank face. The main reason for wear is abrasive wear, and tool wear fast, the tool life is low. And the increasing of cutting speed on tool wear is very obvious.

carbon fiber reinforced plastics; coated cemented carbide tool; tool wear; cutting speed

1001-2265(2016)10-0032-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.009

2015-12-17；

2016-01-19

尚曉峰(1972—)，男，遼寧海城人，沈陽航空航天大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)槭途鹿ぞ唛_發(fā)與研究，(E-mail)xfshang@jlshift.com；通訊作者：高石鑫(1989—)，男，沈陽人，沈陽航空航天大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樘祭w維復(fù)合材料切削技術(shù)研究，(E-mail)gsx0511@126.com。

TH142;TG506

A