新型銑刀銑削碳纖維復(fù)合材料毛刺抑制機(jī)理

楊小璠　黃宗明　李友生　李凌祥　沈志煌

摘要：針對(duì)碳纖維復(fù)合材料銑削時(shí)易產(chǎn)生毛刺等加工缺陷的問題，分析了新型銑刀抑制毛刺產(chǎn)生的切削機(jī)理。選用未涂層的普通立銑刀、交錯(cuò)刃立銑刀、菱齒型立銑刀以及金剛石涂層的菱齒型立銑刀，在相同切削條件下對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行側(cè)銑試驗(yàn)。通過對(duì)加工表面質(zhì)量、刀具磨損以及刀具壽命的對(duì)比分析得出：交錯(cuò)刃立銑刀和菱齒型立銑刀能有效抑制工件表面毛刺的產(chǎn)生；由于菱齒型立銑刀參與切削的刃數(shù)比交錯(cuò)刃立銑刀多，抑制銑削毛刺產(chǎn)生的能力最好；金剛石涂層菱齒型立銑刀的使用壽命最長，其后刀面磨損緩慢，適合碳纖維復(fù)合材料的銑削加工。

關(guān)鍵詞：

碳纖維復(fù)合材料；交錯(cuò)刃立銑刀；菱齒型立銑刀；加工表面質(zhì)量；刀具磨損

DOI：1015938/jjhust201805006

中圖分類號(hào)： TG501

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）05-0030-05

The Mechanism of Burr Inhibition for Milling CFRP with New Type of Milling Tools

YANG Xiaofan1，HUANG Zongming2，LI Yousheng2，LI Lingxiang2，SHEN Zhihuang1

（1.School of Mechanical and Energy Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，China；

2.Xiamen Golden Egret Special Alloy Co， Ltd， Xiamen 361006， China）

Abstract：Concerning the machining defects such as burrs while milling Carbon Fiberreinforced Plastics（CFRP） with ordinary cutters，the cutting mechanism of the newtype end mills for suppressing the burrs generation in milling CFRP was analyzed Uncoated ordinary end mill， crossflute router， finecrossnick router and diamond coated finecrossnick router are selected to process the CFRP under the same cutting conditions The comparative analysis results of the surface quality， tool wear and tool life show that the crossflute router and finecrossnick router can effectively suppress the burrs occurrence of the workpiece surface The number of cutting edges the finecrossnick router involved are more than the crossflute router， so its ability of suppressing burrs is best And the effect of suppressing burrs of righthand end mill is worst The diamond coated finecrossnick router has the longest tool life and is most suitable for milling CFRP

Keywords：carbon fiberreinforced plastics（CFRP）；crossflute router；finecrossnick router；machining surface quality；tool wear

0引言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、抗疲勞、耐熱和耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、體育用品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為高性能復(fù)合材料的代表[1]。由于CFRP具有非均質(zhì)及各向異性的特點(diǎn)，層間剪切強(qiáng)度低而碳纖維硬度高，在銑削過程中容易產(chǎn)生毛刺、纖維撕裂、分層等加工缺陷[2]。隨著應(yīng)用領(lǐng)域?qū)FRP加工裝配要求的不斷提高，普通刀型的立銑刀很難滿足CFRP優(yōu)質(zhì)高效的加工要求，開發(fā)新型CFRP專用銑刀成為當(dāng)前急需解決的問題[3-4]。CVD金剛石涂層具有高硬度、低摩擦系數(shù)、可在復(fù)雜形狀刀具上進(jìn)行沉積等優(yōu)點(diǎn)，是制作CFRP專用刀具的理想刀具涂層材料[5-7]。

多年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者為提高CFRP的加工質(zhì)量展開了多方面的研究。Schulz等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)刀具刃口半徑的變化會(huì)影響CFRP加工過程中碳纖維的斷裂形式，從而影響毛刺等缺陷的形成[8]。Hintze等在CFRP的銑槽實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加工缺陷與纖維方向角有關(guān)，90°纖維方向角易發(fā)生分層缺陷， 135°纖維方向角易在工件表面產(chǎn)生毛刺[9]。林有希等采用涂層（TiCN， TiA1N）與無涂層超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金立銑刀對(duì)CFRP進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)，研究切削力、毛刺隨刀具磨損的變化趨勢(shì)[10]。周井文等采用金剛石涂層硬質(zhì)合金銑刀對(duì)不同纖維方向的CFRP進(jìn)行了順銑加工試驗(yàn)，分析了每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和纖維方向?qū)ぜ庸け砻尜|(zhì)量的影響[11]。目前國內(nèi)針對(duì)CFRP加工專用新型銑刀的切削性能以及刀具磨損失效方面的研究較少[12-13]。

本文提出了可抑制CFRP銑削毛刺產(chǎn)生的新型刀具結(jié)構(gòu)，并分析了新型立銑刀切削CFRP時(shí)抑制毛刺產(chǎn)生的加工原理。選用未涂層的普通右旋立銑刀、新型交錯(cuò)刃立銑刀以及菱齒型立銑刀，對(duì)CFRP進(jìn)行側(cè)銑加工試驗(yàn)。在相同切削條件下，通過對(duì)工件加工表面質(zhì)量、刀具壽命以及刀具磨損形貌的對(duì)比分析，研究了不同刀型結(jié)構(gòu)對(duì)CFRP銑削毛刺的抑制能力；同時(shí)選用金剛石涂層菱齒型立銑刀對(duì)CFRP進(jìn)行側(cè)銑加工，測(cè)試刀具壽命，以期為CFRP的銑削加工選擇合適的刀具提供依據(jù)。

1新型刀具結(jié)構(gòu)抑制碳纖維復(fù)合材料銑削毛刺的切削加工原理

圖1所示為普通立銑刀銑削CFRP的示意圖。

普通右旋立銑刀在銑削過程中，右旋向的切削刃使得工件上、下表面的纖維層均受到斜向上切削力的作用，因此加工后工件的上表面易出現(xiàn)毛刺、撕裂，甚至是分層現(xiàn)象。反之左旋立銑刀銑削時(shí)加工缺陷易出現(xiàn)于下表面。

圖2所示為新型立銑刀銑削CFRP示意圖。交錯(cuò)刃立銑刀將圓周切削刃分為上下兩個(gè)部分，采用近柄部刃左旋，近端部刃右旋的結(jié)構(gòu)。加工時(shí)應(yīng)使左右螺旋切削刃的交匯處始終保持在復(fù)合材料板厚的中間位置。由于左、右螺旋刃分別作用于工件的上、下表面，切削合力始終指向工件材料的中心，切削過程平穩(wěn)，纖維層容易完全被切斷，從而抑制了工件上、下表面毛刺等加工缺陷的產(chǎn)生[14]。菱齒型立銑刀圓周上的菱形切削單元是通過在右旋切削刃上沿左旋向交錯(cuò)開槽磨削形成的，每個(gè)菱形切削單元上同時(shí)有右旋刃和左旋刃，但是左、右旋切削刃的螺旋角大小不一樣，如圖3所示。在較高切削速度的作用下，左、右螺旋切削刃同時(shí)作用于纖維層材料，形成的剪切合力類似于剪刀原理，可將纖維層輕易剪斷，有效抑制工件表面毛刺、撕裂等加工缺陷的產(chǎn)生，提高加工質(zhì)量[15]。

2試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料選用厚度為5mm的T700碳纖維/樹脂基復(fù)合材料層壓板，層鋪方式為[0°/90°/±45°]，碳纖維的體積百分比為（65±5）%。試驗(yàn)刀具結(jié)構(gòu)如圖4所示。

切削試驗(yàn)在福裕立式加工中心QP2033L上進(jìn)行，刀柄型號(hào)BT40KMC32105，刀具參數(shù)如表1所示，加工條件如表2所示。當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p量達(dá)到01mm即停止切削試驗(yàn)。試驗(yàn)中選用Keyence光學(xué)顯微鏡（型號(hào)：VHX100）觀察工件表面質(zhì)量、刀具后刀面的磨損形貌及磨損量測(cè)量。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

31刀具后刀面磨損量對(duì)比

圖5為3種刀型的立銑刀側(cè)銑碳纖維復(fù)合材料時(shí)刀具后刀面磨損曲線圖。從圖中可以看出，隨著切削距離的增加，無涂層立銑刀的后刀面磨損量增加都比較快，無明顯的正常磨損階段；金剛石涂層立銑刀的磨損曲線則存在著明顯的正常磨損階段和急劇磨損階段。當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p量達(dá)到01mm時(shí)，普通立銑刀切削距離僅為5m，交錯(cuò)刃立銑刀切削距離為7m，菱齒立銑刀的切削距離約為11m。金剛石涂層菱齒立銑刀的切削距離約為60m，其刀具磨損最慢，刀具使用壽命最長。

32工件表面質(zhì)量對(duì)比分析

圖6所示分別為相同的加工條件下，不同立銑刀側(cè)銑碳纖維復(fù)合材料的工件表面質(zhì)量照片。圖6（a）為普通右旋立銑刀側(cè)銑1m后工件的表面質(zhì)量照片，從圖中可以觀察到，工件上表面已出現(xiàn)輕微毛刺現(xiàn)象，下表面加工質(zhì)量良好；繼續(xù)銑削加工至5m時(shí)，工件上表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的毛刺現(xiàn)象，如圖6（b）所示，表面質(zhì)量已經(jīng)無法滿足加工要求，普通立銑刀抑制CFRP起毛刺的能力最差。圖6（c）所示為交錯(cuò)刃立銑刀側(cè)銑碳纖維復(fù)合材料7m后工件的表面質(zhì)量照片，工件上、下表面均無明顯的毛刺出現(xiàn)，加工質(zhì)量良好，仍然可以滿足加工要求。由于交錯(cuò)刃立銑刀的設(shè)計(jì)原理可以有效抑制復(fù)合材料上、下表面毛刺、撕裂等缺陷的發(fā)生，雖然此時(shí)刀具后刀面磨損量已達(dá)到01mm，但還可繼續(xù)使用。圖6（d）所示為菱齒型立銑刀側(cè)銑碳纖維復(fù)合材料11m后工件的表面質(zhì)量照片，工件上、下表面加工質(zhì)量良好，無明顯毛刺現(xiàn)象，可以滿足加工要求。由于菱齒型立銑刀在銑削過程中參與切削的刃數(shù)比交錯(cuò)刃立銑刀多，從而顯著降低了刃口上的單位切削力，刀具磨損更緩慢。圖6（e）所示為金剛石涂層菱齒型立銑刀側(cè)銑碳纖維復(fù)合材料60m后工件的表面質(zhì)量照片，工件表面質(zhì)量仍處于良好狀態(tài)，無明顯毛刺現(xiàn)象，可以滿足加工要求。

33刀刃磨損對(duì)比分析

圖7為切削距離5m時(shí)普通右旋立銑刀的后刀面磨損形貌，圖8為切削距離7m時(shí)交錯(cuò)刃立銑刀的后刀面磨損形貌，圖9為切削距離11m時(shí)菱齒立銑刀的后刀面磨損形貌。

由圖可以觀察到：普通立銑刀的后刀面磨損較均勻，交錯(cuò)刃立銑刀的右旋刃和左旋刃磨損相對(duì)較均勻；菱齒型立銑刀的右旋刃磨損較左旋刃更嚴(yán)重，這與其左、右旋切削刃的螺旋角大小不等有關(guān)，左旋刃由于螺旋角較大，與工件接觸長度較短，因此刀具磨損區(qū)域較小。普通立銑刀磨損最快，這主要是由于普通立銑刀在結(jié)構(gòu)上抑制碳纖維銑削毛刺的能力較差，切削加工不久后工件表面即出現(xiàn)毛刺，繼續(xù)切削時(shí)，工件毛刺會(huì)引起刀具振動(dòng)，加快刀具磨損；交錯(cuò)刃立銑刀和菱齒型立銑刀抑制碳纖維銑削毛刺的能力較強(qiáng)，由于菱齒立銑刀參與切削的刀刃數(shù)更多，故刀具使用壽命更長。

圖10所示為金剛石涂層菱齒型立銑刀的后刀面磨損形貌圖。由于碳纖維復(fù)合材料是一種典型的難加工材料，使用未涂層刀具進(jìn)行切削加工時(shí)刀具急劇磨損，刀具壽命較低。金剛石涂層的硬度非常高，配合菱齒型立銑刀的刀型結(jié)構(gòu)可顯著減緩刀具磨損，延長刀具使用壽命。從圖中可以看出，菱齒型立銑刀在切削距離為40m時(shí)，刀具右旋刃和左旋刃上的金剛石涂層均出現(xiàn)了磨損，其中右旋刃的磨損程度比左旋刃嚴(yán)重，但此時(shí)后刀面磨損區(qū)的金剛石涂層仍然存在，發(fā)揮著保護(hù)硬質(zhì)合金基體的作用。在切削距離達(dá)到60m時(shí)，觀察到菱齒型立銑刀的右旋刃出現(xiàn)涂層剝落，露出了硬質(zhì)合金基體。這主要是由于切削過程中，刀具后刀面涂層磨損區(qū)內(nèi)的高硬度碳纖維切屑顆粒持續(xù)摩擦金剛石涂層，隨著切削距離不斷增加，金剛石涂層的厚度越來越薄，最終出現(xiàn)了涂層剝落，此時(shí)加工表面質(zhì)量雖然仍可滿足要求，但刀具已進(jìn)入急劇磨損階段，磨損速度加快。

4結(jié)論

本文針對(duì)碳纖維復(fù)合材料（CFRP）進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，從而研究不同刀型與該工件材料加工質(zhì)量的匹配性。獲得結(jié)論如下：

1）普通立銑刀側(cè)銑CFRP時(shí)，指向工件表面的切削力容易導(dǎo)致毛刺等加工缺陷產(chǎn)生；新型的交錯(cuò)刃立銑刀和菱齒型立銑刀在結(jié)構(gòu)上都設(shè)計(jì)有左、右螺旋切削刃，側(cè)銑時(shí)刀具的左旋刃和右旋刃同時(shí)參與切削，切削合力指向工件內(nèi)部而非表面，能夠有效地抑制工件表面毛刺的產(chǎn)生。

2）菱齒型立銑刀在銑削過程中參與切削的刀刃數(shù)比交錯(cuò)刃立銑刀多，可以顯著降低單位切削力，刀具磨損更緩慢，抑制CFRP銑削毛刺的能力最好。

3）CVD金剛石涂層具有優(yōu)異的耐磨性，配合菱齒型立銑刀的刀型結(jié)構(gòu)可顯著減緩刀具磨損，提高加工表面質(zhì)量，適合碳纖維復(fù)合材料的銑削加工。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：王萍）