芳綸纖維復(fù)合材料高速鉆削刀具磨損機理研究

禹杰，林有希，范宜鵬

（福州大學(xué) a.機電工程實踐中心；b.機械工程及自動化學(xué)院，福州 350116）

芳綸纖維復(fù)合材料（AFRP）是一種新型高科技特種復(fù)合材料，具有高強度、高模量以及優(yōu)越的抗沖擊性能等優(yōu)點[1—4]，因此，在航空航天、汽車、船舶制造和軍工裝甲防護等領(lǐng)域具有廣闊的運用前景[5—7]。由于芳綸纖維的結(jié)構(gòu)具有各向異性、非均勻性、高韌性及導(dǎo)熱性差等[8—9]特點，導(dǎo)致AFRP材料在鉆削加工時的切削力增大，切削熱升高，加劇了刀具的磨損，惡化了鉆削環(huán)境與性能，對孔質(zhì)量與完整性產(chǎn)生了顯著的影響[10]。

目前，國內(nèi)外對AFRP鉆削過程刀具磨損機理的研究越來越多。A.N.Shuaib等[11]采用TiN涂層刀具對芳綸纖維復(fù)合材料進行鉆削試驗，分析了后刀面的磨損規(guī)律，得出刀具磨損的復(fù)雜磨損機理，且分3個區(qū)域探討了刀具失效形式。D.Iliescu等[12]對纖維復(fù)合材料進行鉆削試驗，研究表明刀具磨損量與切削速度vc成線性正比關(guān)系。普通刀具的磨損量與加工孔的個數(shù)成冪指數(shù)關(guān)系，而涂層刀具磨損在涂層未脫落之前先是呈線性關(guān)系，涂層脫落后則是遵循普通刀具的磨損規(guī)律。Konig等[13]認為刀具磨損程度與纖維的類型、纖維方向角和體積分數(shù)有顯著關(guān)系。刀具磨損表現(xiàn)為切削刃鈍圓半徑變大、刀尖崩裂及刀刃磨損，刀尖圓弧半徑磨損影響程度與鉆削深度成正比。復(fù)合材料加工中刀具的磨損將直接影響刀具壽命和材料的加工質(zhì)量，因此，研究芳綸纖維復(fù)合材料鉆削過程中的刀具磨損機理，對改善工件表面質(zhì)量，提高加工效率與降低成本具有很重要的意義。

現(xiàn)有對刀具磨損機理的研究主要集中于常規(guī)鉆削方式下，而很少有涉及高速鉆削狀態(tài)下，且對磨損機理缺乏更深入的分析。文中采用TiAlN涂層刀具對芳綸纖維復(fù)合材料進行高速鉆削試驗，分析了刀具磨損規(guī)律，并對刀具磨損微觀形貌進行觀測，深入研究了刀具的失效形式與磨損機理，推動了高速鉆削技術(shù)在復(fù)合材料中的應(yīng)用，并為鉆削刀具的選用及性能優(yōu)化提供理論與試驗依據(jù)。

1 試驗

試樣材料為日本帝人生產(chǎn)的黑色平紋芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合層壓板，板材厚度為4 mm，共12層。采用數(shù)控雕銑機SXDK6050D對AFRP板材進行高速鉆削試驗，通過前期試驗總結(jié)，選取合適的切削參數(shù)，其中主軸轉(zhuǎn)速n=15 000 r/min，每轉(zhuǎn)進給量f=0.15 mm。試驗選用TiCN涂層的超細微碳化鎢晶粒麻花鉆，試驗中，鉆孔個數(shù)每達到 30，采用超聲清洗機清洗刀具表面附著的切屑粉末，避免影響檢測結(jié)果。然后采用Leica M205FA體式顯微鏡測量刀具后刀面的磨損量 VB值，借助場發(fā)射掃描電鏡 Nova NanoSEM 230對刀具磨損微觀形貌進行觀測，并使用能譜分析對刀具后刀面磨損處化學(xué)成分進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損規(guī)律

TiAlN涂層刀具后刀面磨損量隨鉆孔個數(shù)的變化曲線見圖1，可知，刀具磨損主要分為3個不同階段：初期磨損階段、穩(wěn)正常磨損階段、急劇磨損階段。在初期磨損階段，TiAlN涂層刀具的磨損率較大，由于新刀刃較為鋒利，與工件接觸面積較小而形成高載荷摩擦學(xué)系統(tǒng)，產(chǎn)生較高的接觸應(yīng)力，接觸點粘著磨損嚴重[14]。當(dāng)鉆孔個數(shù)為90時，刀具后刀面磨損值VB為0.176 mm。在正常磨損階段，刀具后刀面VB值緩慢上升，刀具切削處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。此時切削刃鋒利度下降，但與對偶表面的接觸面積增大，接觸應(yīng)力下降，同時TiAlN涂層具有較高的熱導(dǎo)率以及硬度，加強了刀具的切削性能，因此刀具的磨損速率較小。當(dāng)鉆孔個數(shù)為270時，刀具后刀面磨損值VB為 0.276 mm。急劇磨損階段，切削刃被磨鈍且出現(xiàn)不同程度的剝落、崩刃等缺陷，刀具的加工性能嚴重下降，加工過程的切削力增大與切削熱上升，惡化刀具加工條件，加劇刀具的磨損。此時刀具的磨損速率較大，并在加工過程中產(chǎn)生激烈的噪聲和難聞的纖維燒焦的氣味，刀體上還粘著燒焦的纖維和樹脂材料。當(dāng)鉆孔個數(shù)達到300時，刀具磨損量超過了磨鈍標準VB值0.3 mm。

圖1 后刀面磨損規(guī)律Fig.1 Wear law of tool flank face

2.2 刀具磨損機理

2.2.1 涂層磨損

TiAlN涂層刀具后刀面磨損區(qū)域的 SEM及能譜分析見圖2，通過觀察后刀面不同區(qū)域的元素含量的變化，可知涂層材料先從切削刃磨損脫落，然后磨損帶逐漸往后刀面擴張。其中，磨損區(qū)域主要的元素是W和Co元素，為刀具基體的元素成分，還發(fā)現(xiàn)部分的 O元素，說明有發(fā)生氧化磨損。未磨損區(qū)域主要的元素為Ti,N,Al,C和O元素，其中Ti,N,Al元素主要來源于刀具涂層，說明涂層完全覆蓋了刀具基體。C和O元素為工件材料，表明工件切屑粘附在刀具表面。在鉆削過程中，芳綸纖維復(fù)合材料中芳綸纖維硬度較高，在已加工表面的彈性回復(fù)作用下，芳綸纖維對刀具后刀面發(fā)生摩擦磨損作用。同時，切屑中的芳綸纖維磨粒對后刀面形成磨粒磨損，導(dǎo)致后刀面涂層材料疲勞破壞，造成涂層的剝落或者脆裂。

圖2 涂層磨損及能譜分析Fig.2 Analysis on coating wear and energy spectrum

2.2.2 磨粒磨損

刀具與復(fù)合材料在摩擦剪切過程中，在兩者接觸界面滾動的硬質(zhì)顆粒，如纖維顆粒、涂層顆粒等，會形成三體磨粒磨損，對后刀面產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力，易壓入后刀面而產(chǎn)生壓痕，形成凹坑或裂紋。為后刀面切削刃微觀形貌見圖3，可知，刀具后刀面由磨粒磨損造成許多凹坑和較大的劃痕。加工過程中，當(dāng)磨粒沿刀具切線方向運動時，兩者之間產(chǎn)生接觸應(yīng)力，此時刀具表面出現(xiàn)微小的犁溝狀的劃痕。如果磨粒運動方向恰好正對刀具表面，此時磨粒與刀具表面之間發(fā)生擠壓碰撞，產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。除此之外，硬質(zhì)磨粒向前推動的作用，必然使刀具基體材料發(fā)生退讓現(xiàn)象?；w材料被這些硬質(zhì)磨粒推到兩側(cè)和前方，在這個過程中這些基體材料產(chǎn)生塑性變形。由于晶粒之間存在粘結(jié)力作用，刀具表面基體材料并沒有脫離母體，而是堆擠在磨粒劃過的溝槽兩側(cè)，最終在刀具表面磨出較深的溝槽。

圖3 后刀面切削刃微觀形貌Fig.3 Microscopic morphology of tool flank face

2.2.3 粘結(jié)磨損

粘結(jié)磨損主要發(fā)生在刀具的前后刀面，由于后刀面磨損嚴重，生成的粘結(jié)物易被磨損剝落，而前刀面磨損較小可以直接觀察到。前刀面粘結(jié)物掃描電鏡見圖4，粘結(jié)物能譜分析見圖5，可知粘結(jié)物的主要成分由C和O元素構(gòu)成，兩種元素質(zhì)量分數(shù)達到70.87%和 23.68%，還有一些微量的刀具基體材料元素，說明粘結(jié)物主要是復(fù)合材料的切屑構(gòu)成。粘結(jié)物生成的主要原因有兩方面：一方面是由于切屑受機械載荷的作用，切屑與前刀面不斷發(fā)生碰撞，微小切屑容易鑲嵌在刀具表面固化形成粘結(jié)物；另一方面，斷屑沿刀具前刀面排出，與刀面表面產(chǎn)生劇烈的摩擦，在一定應(yīng)力和溫度場的條件下兩者之間產(chǎn)生相互的粘著力。在粘著力作用下切屑粘結(jié)在刀具基體材料晶?？p隙之間形成，有的則是粘結(jié)在涂層脫落的凹坑處，最終表現(xiàn)出大小不一的島鏈式粘結(jié)物。粘結(jié)物在刀面表層發(fā)生剪切斷裂和撕裂作用，使刀具涂層以及刀具基體材料隨粘結(jié)物一起脫落，如此循環(huán)過程，最終造成前刀面粘結(jié)磨損。粘結(jié)物的產(chǎn)生降低斷屑排出的效率，加大斷屑與刀具的摩擦作用，使刀具前刀面螺旋槽的溫度上升，使刀具切削性能下降。

圖4 前刀面粘結(jié)物SEMFig.4 SEM of adhesive object on tool rake face

圖5 粘結(jié)物能譜分析Fig.5 Analysis on energy spectrum of adhesive object

2.2.4 氧化磨損

在高速鉆削過程中，刀具與工件材料之間產(chǎn)生劇烈摩擦作用，當(dāng)溫度達到一定條件時，刀具基體材料容易與空氣中的氧元素發(fā)生氧化反應(yīng)形成若干層氧化膜，如Al2O3,CoO,WO3等。這些氧化膜極容易在鉆削過程中不斷被磨去，使刀具基體材料的損耗形成氧化磨損。

TiAlN涂層刀具后面磨損區(qū)能譜見圖6，其中O元素的質(zhì)量分數(shù)為3.99%，說明發(fā)生了氧化磨損。在涂層未被磨去時，TiAlN涂層材料中的 Al元素，容易發(fā)生氧化反應(yīng)形成致密的氧化膜Al2O3。這種氧化物阻礙了氧化磨損的速度，對刀具表面有一定的保護作用。當(dāng)涂層被磨去，刀具基體材料裸露在空氣中，切削熱逐漸積累達到溫度 300 ℃左右，基體粘結(jié)劑Co元素開始發(fā)生氧化反應(yīng)而被氧化成CoO和CoO4。這些氧化物較軟，在劇烈的機械沖擊下，易剝落而形成凹坑。基體材料WC的氧化溫度為460 ℃[15]，而鉆削溫度較難達到WC氧化溫度，WC發(fā)生氧化反應(yīng)的效果不明顯。

圖6 刀具后刀面磨損區(qū)域能譜Fig.6 Analysis on energy spectrum of wear area on flank face

3 結(jié)論

采用TiAlN涂層刀具對AFRP材料進行高速鉆削試驗，分析了刀具磨損隨孔加工個數(shù)的變化規(guī)律，并對刀具磨損微觀形貌進行分析，深入研究了刀具磨損的機理。得出以下結(jié)論。

1）刀具磨損主要有3個階段：初期磨損階段、穩(wěn)定磨損階段、急劇磨損階段，各階段磨損速率各不相同，穩(wěn)定磨損階段為最小，急劇磨損階段為最大。

2）涂層刀具的失效形式為涂層與基體材料剝落以及后刀面磨損，磨粒磨損為主要的磨損形式，同時伴隨著不同程度的粘結(jié)磨損和氧化磨損，使后刀面形成諸多凹坑和劃痕。