碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工中PCD刀具磨損研究

蘇 飛 ，孫富建

（1.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學(xué)，智能制造研究院，湖南湘潭411201）

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有比強(qiáng)度高、比模量大等優(yōu)異性能，在航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，已逐步成為新型飛行器的首選結(jié)構(gòu)材料[1-3]。

由于CFRP具有硬度高、導(dǎo)熱性差、各向異性等特點(diǎn)，在切削加工過(guò)程中除易產(chǎn)生各種加工缺陷外，碳纖維作為硬質(zhì)點(diǎn)連續(xù)磨耗刀具，致使刀具極易被磨損[2-3]，進(jìn)而直接影響CFRP構(gòu)件的加工質(zhì)量和加工效率。通常，選擇合適的刀具材料對(duì)刀具耐磨性的提高至關(guān)重要。目前，對(duì)于CFRP切削加工常采用超硬刀具材料，其中，聚晶金剛石（PCD）對(duì)于CFRP切削加工具有較好的加工性能[4]。Ferreira[4]等采用硬質(zhì)合金、陶瓷、PCBN、PCD刀具對(duì)CFRP進(jìn)行了車(chē)削試驗(yàn)研究，分析了不同刀具材料的切削性能，得出PCD刀具是加工復(fù)合材料的最佳刀具；Kyung[5，6]等對(duì)比分析了采用PCD鉆頭和硬質(zhì)合金鉆頭鉆削纖維增強(qiáng)疊層復(fù)合材料，試驗(yàn)都表明PCD鉆頭在耐磨性上具有明顯的優(yōu)越性。然而，對(duì)于PCD刀具在CFRP切削過(guò)程中的磨損機(jī)理、形態(tài)及其對(duì)加工質(zhì)量的影響研究還不夠徹底。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文采用焊接PCD刀片立銑刀對(duì)平紋織物CFRP進(jìn)行銑削試驗(yàn)，分析其磨損狀態(tài)和磨損機(jī)理，以及刀具磨損對(duì)CFRP銑削加工的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)條件

試件材料為板狀平紋織物碳纖維布疊層復(fù)合材料（T300/環(huán)氧樹(shù)脂，CFRP），基體為熱固性環(huán)氧樹(shù)脂，厚度為 10 mm，纖維直徑 7～8μm，纖維體積含量60%～65%，試件是 110 mm×120 mm×10 mm的板料。試驗(yàn)采用直徑為6 mm釬焊PCD刀片的2直齒立銑刀。

試驗(yàn)在KVC1050M立式加工中心上采用無(wú)冷卻方式進(jìn)行銑盲槽試驗(yàn)，所選用的切削速度（Vc）、進(jìn)給量（f）和切削深度（ap）分別為 86 mm/min、0.1 mm/r和3 mm，每次走刀均為 100 mm，每走刀5次對(duì)刀具的后刀面和工件切削區(qū)上表面的缺陷進(jìn)行一次觀測(cè)，當(dāng)工件切削區(qū)上表面的缺陷出現(xiàn)明顯增大時(shí)終止試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置實(shí)物、銑削方式和槽內(nèi)各部位名稱以及切削力測(cè)試系統(tǒng)分別如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置和銑削力測(cè)試系統(tǒng)

1.2 加工質(zhì)量和刀具磨損評(píng)價(jià)方法

1.2.1 加工質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

由于切削區(qū)槽兩側(cè)上表面的分層和纖維破壞情況便于觀測(cè)，因此，以切削區(qū)槽兩側(cè)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(jiǎn)稱分層因子Fs，以此來(lái)表征制品表面的加工質(zhì)量[7，8]，分層因子Fs如式（1）所示，圖2為分層因子示意圖。

Wmax為槽兩側(cè)被破壞的最大寬度；W為槽的加工寬度。Wmax通過(guò)立體顯微鏡和圖片處理軟件測(cè)得。

圖2 分層因子[7]

1.2.2 刀具磨損評(píng)價(jià)方法

刀具磨損主要以后刀面的磨損最為嚴(yán)重，后刀面的磨損直接影響刀具的使用壽命和工件的加工質(zhì)量，因此，試驗(yàn)主要以主切削刃后刀面的平均磨損帶寬度（VB值，單位mm）來(lái)衡量刀具的磨損狀況。

2 試驗(yàn)分析

2.1 刀具磨損對(duì)切削力和加工質(zhì)量的影響

對(duì)立銑刀主切削刃后刀面的磨損進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)隨著銑削行程（L）的增大，刀具的VB值不斷增大。

從圖3（a）中可見(jiàn)，PCD刀具的VB值增大較為平緩。圖中與A2段相比，A1段較為平緩，認(rèn)為A1段和A2段分別為刀具的正常磨損階段和急劇磨損階段。從圖3（b）可見(jiàn)，在PCD刀具的正常磨損階段，分層因子Fs增大較平緩，在PCD刀具急劇磨損階段，分層因子Fs呈急劇增大。從圖3（c）可見(jiàn)，PCD刀具進(jìn)給方向的銑削力（Fx）和垂直進(jìn)給方向的銑削力（Fy）亦呈增大趨勢(shì)。

圖 3 VB、Fs、Fx、Fy與 L 之間的相互關(guān)系

2.2 刀具磨損形態(tài)及其機(jī)理分析

PCD立銑刀主要存在成塊剝落破損、磨粒磨損和樹(shù)脂粘附等磨損形態(tài)，其中成塊剝落破損最為明顯，如圖4所示。

圖4 PCD立銑刀的磨損形貌(L=9 m)

PCD屬于硬脆性材料，切削過(guò)程中刀具承受持續(xù)的交變沖擊載荷和熱作用，使PCD刀具產(chǎn)生機(jī)械疲勞和熱疲勞，導(dǎo)致PCD表層材料的粘結(jié)晶粒之間產(chǎn)生裂紋，金剛石顆粒之間的連接狀態(tài)惡化，晶界強(qiáng)度降低，金剛石突出顆粒（群）容易從刀體上脫落，當(dāng)晶粒脫落形成凹坑或黏接劑被刮除使晶粒凸出時(shí)，其周?chē)毒卟牧先菀装l(fā)生集體脫落[9]，致使刀具抗沖擊能力下降，最終導(dǎo)致PCD刀具出現(xiàn)PCD材料成塊剝落的脆性破損。PCD刀具刃尖處的切削環(huán)境最為惡劣，因此，刃尖處最容易出現(xiàn)成塊剝落的脆性破損，刃尖處前刀面和后刀面的破損面積基本相同，其次，PCD刀具主切削刃的前刀面也容易出現(xiàn)微破損，但這種破損在主切削刃的后刀面和副切削刃上并不顯著，如圖4（a）所示。碳纖維作為硬質(zhì)點(diǎn)不斷的對(duì)刀具的后刀面產(chǎn)生“研磨”，黏接劑被刮除，金剛石顆粒突出或脫落，使刀具出現(xiàn)磨粒磨損，因此，刀具磨損表面出現(xiàn)較多凹坑和突出顆粒，如圖4（c）所示（圖4（b）為PCD刀具表面的初始形貌，圖4（c）為PCD刀具后刀面磨損后的形貌，磨損后的表面比初始前的表面更為光潔，但存在較多凹坑和突出顆粒）。磨粒磨損以主切削刃的后刀面最為突出，與硬質(zhì)合金刀具相比，由于PCD刀具硬度極高，因此，在PCD刀具后刀面上沒(méi)有明顯的“碾壓”現(xiàn)象。刀具的磨粒磨損導(dǎo)致刀具刃尖半徑不斷增大，槽切削區(qū)上表面將出現(xiàn)較明顯的纖維毛刺。樹(shù)脂粘附主要出現(xiàn)在刃尖處的后刀面上，且粘附區(qū)基本接近刀刃處。PCD刀具的樹(shù)脂粘附面積較?。ㄒ?jiàn)圖4（d）），但刀刃處的樹(shù)脂粘附將導(dǎo)致切削區(qū)的環(huán)境進(jìn)一步惡化，因此，采用PCD刀具切削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，樹(shù)脂粘附也是不可忽視的磨損形式之一。

2.3 切削區(qū)上表面缺陷、槽壁微觀形貌和排屑分析

2.3.1 刀具磨損對(duì)切削區(qū)上表面缺陷的影響

隨著銑削的進(jìn)行，立銑刀的主切削刃磨損最為嚴(yán)重，因此，主要對(duì)主切削刃的切削區(qū)進(jìn)行分析。對(duì)刀具磨損前、后槽前端和槽兩側(cè)上表面進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)隨著刀具的磨損切削區(qū)上表面出現(xiàn)明顯的纖維毛刺，切削質(zhì)量明顯下降，且隨著刀具的不斷磨損，毛刺都呈不斷增多趨勢(shì)。采用PCD刀具銑削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，在刀具磨損初期，槽前端和槽兩側(cè)除少數(shù)較小的毛刺和分層外，整體較為光潔，當(dāng)切削行程達(dá)到4.6 m時(shí)，切削區(qū)上表面出現(xiàn)較明顯的纖維毛刺。圖5（a）和（b）分別是銑削行程達(dá)到0.5 m和9.0 m時(shí)切削區(qū)上表面的切削形貌。

圖5 刀具磨損對(duì)加工質(zhì)量的影響

2.3.2 刀具磨損對(duì)槽壁切削表面的影響

對(duì)刀具磨損前、后槽前端槽壁的切削表面進(jìn)行SEM分析，圖5（c）和（d）分別為銑削行程達(dá)到0.5m和9.0 m時(shí)切削表面的形貌。采用PCD刀具切削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，在刀具磨損初期，樹(shù)脂涂覆面積較大，纖維斷口較為平齊，切削表面光潔平整，也存在少部分由于受纖維切削機(jī)理限制所引起的“凹坑”。刀具磨損后，樹(shù)脂涂覆面積明顯下降，切削表面的光潔程度和切削表面的平整程度也有所下降，樹(shù)脂和碳纖維都受到一定程度的破損。可見(jiàn)，采用PCD刀具切削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其切削表面質(zhì)量較為穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）隨著銑削行程（L）的增大，刀具的VB值不斷增大，正常磨損階段，分層因子Fs增大較平緩，在PCD刀具急劇磨損階段，分層因子Fs呈急劇增大；

（2）PCD立銑刀主要存在樹(shù)脂粘附、磨粒磨損和成塊剝落破損等磨損形態(tài)，其中成塊剝落破損最為明顯；

（3）PCD立銑刀的切削行程達(dá)到4.6 m時(shí)，PCD刀具切削的槽切削區(qū)上表面才出現(xiàn)較明顯的纖維毛刺。