碳纖維復(fù)合材料銑削與磨削加工對(duì)比研究

周井文， 秦文津， 穆英娟， 任培強(qiáng)， 劉 星， 陳 燕

(1. 上海航天精密機(jī)械研究所, 上海 201600) (2. 上海航天智能裝備有限公司, 上海 201112) (3. 南京航空航天大學(xué), 江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210016)

碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料是航空、航天、船舶、汽車等領(lǐng)域最重要和熱門的材料之一?？紤]到材料的力學(xué)性能特點(diǎn)，碳纖維復(fù)合材料一般采用近凈成形技術(shù)，主體結(jié)構(gòu)并不需要額外進(jìn)行減材加工，主要加工工藝為裝配、連接區(qū)域的切邊與制孔[1-2]。碳纖維結(jié)構(gòu)件的切邊工藝方法一般以銑削為主，同時(shí)還有相當(dāng)數(shù)量的鋸切、車削、磨粒加工等[3-4]。

工程應(yīng)用層面，碳纖維加工過(guò)程中最受關(guān)注的是其表面質(zhì)量和缺陷控制。諸如分層、撕裂、樹脂涂覆、降解等缺陷是直接影響產(chǎn)品力學(xué)性能的重要質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重、加工工藝難以統(tǒng)一等問(wèn)題，會(huì)進(jìn)一步降低CFRP結(jié)構(gòu)件的合格率，提高其應(yīng)用成本[5-7]。為此，國(guó)內(nèi)外研究人員在CFRP加工技術(shù)方面開展了諸多研究工作。

WANG等[8]對(duì)疊層CFRP加工表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的粗糙度Ra測(cè)量值跳動(dòng)非常大，并不適合表征加工表面質(zhì)量。AZMI等[9]等分別對(duì)切削力和粗糙度進(jìn)行多元擬合后也發(fā)現(xiàn)粗糙度擬合度較差，認(rèn)為是由于表面纖維拔出的隨意性導(dǎo)致粗糙度變化較大所致。CFRP纖維的各向異性和非均勻性，使測(cè)得的粗糙度具有較大隨意性。

相比于表面粗糙度，加工表面形貌及缺陷同樣是研究的重點(diǎn)。EL-HOFY等[5]對(duì)不同纖維方向的加工表面缺陷及形貌進(jìn)行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)纖維方向?qū)庸け砻嫘蚊布叭毕菪纬捎休^大影響。并且，磨損的刀具使加工表面質(zhì)量急劇下降，缺陷增多。MKADDEM等[6]采用有限元分析方法對(duì)單向結(jié)構(gòu)CFRP在加工過(guò)程中切削力的大小及特征進(jìn)行了仿真，研究了切削力與纖維方向、切削參數(shù)以及刀具幾何角度的關(guān)系。

然而，由于碳纖維材料極強(qiáng)的耐磨性，銑削加工通常需要昂貴的金剛石涂層刀具甚至PCD刀具，加工成本居高不下，而磨削工具因其適宜的制造成本，近年來(lái)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。基于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的切邊加工，采用銑削和磨削2種加工方式，分析加工表面形貌和表面粗糙度，討論2種加工方式下其表面質(zhì)量差異和缺陷形成的原因。

1 試驗(yàn)條件和方案

試驗(yàn)在DMG-Ultrasonic 220五軸高速加工中心(圖1)上進(jìn)行。所用工件為T800碳纖維(直徑為7μm)增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層壓板，工件規(guī)格為150 mm×200 mm×9 mm。鋪層方式為[(0°/45°/90°/135°) (0°/90°/135°/45°)2]s，共計(jì)48層。

切削加工立銑刀為金剛石涂層玉米銑刀，如圖2所示：直徑為10 mm，刃數(shù)為12排，每刃周向?qū)挾萳m約為0.85 mm，排屑槽周向?qū)挾燃s為1.77 mm。

磨削加工工具為單層有序排布釬焊磨頭，如圖3所示：直徑為10 mm，齒數(shù)為12排，釬料為Ag-Cu-Ti，釬焊金剛石磨粒粒徑為145±5 μm。

圖2 銑削刀具

圖3 磨削刀具

切削參數(shù)如表1所示。加工完成后將工件在丙酮溶液中超聲清洗15 min后自然風(fēng)干。用Mahr M1粗糙度儀對(duì)加工表面的粗糙度進(jìn)行測(cè)量，再用掃描電鏡(SEM)觀察加工表面形貌。

表1 切削參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面形貌與粗糙度

纖維角度的定義如圖4所示[10]。圖5和圖6所示為銑削加工和磨削加工的表面微觀形貌。

圖4 纖維角度定義

2種加工方式下，0°纖維角度鋪層的加工表面形貌大致相當(dāng)，并無(wú)典型區(qū)別，具體差異性體現(xiàn)在其他3種纖維角度鋪層上。

對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)：銑削加工后，工件表面呈現(xiàn)規(guī)律型凹坑。其中，45°纖維角度鋪層加工質(zhì)量最差，出現(xiàn)了大量集束纖維彎曲斷裂形成的凹坑，且這一凹坑現(xiàn)象的出現(xiàn)與刀具進(jìn)給量關(guān)系不大；90°和135°纖維角度鋪層均出現(xiàn)了嚴(yán)重的樹脂涂覆現(xiàn)象，并且隨著進(jìn)給量的增大，樹脂涂覆現(xiàn)象略有減輕。但是兩者也存在一定差異性：90°纖維角度鋪層出現(xiàn)明顯樹脂涂覆現(xiàn)象，隨進(jìn)給量增大而減輕，同時(shí)出現(xiàn)了可見的淺坑；135°纖維角度鋪層的涂覆現(xiàn)象較弱，加工表面纖維出露相對(duì)較少。

對(duì)于磨削加工而言，整體加工表面呈現(xiàn)固定排列的豎脊，并無(wú)凹坑。豎脊正好位于纖維鋪層之間，屬于樹脂層。這主要是由于樹脂材料具備彈性，在磨削弧區(qū)受熱軟化后極易受擠壓而填充于磨粒間隙中，最終形成該形貌。對(duì)各鋪層內(nèi)部進(jìn)行橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)：45°纖維角度鋪層纖維斷口更清晰，顯得較為粗糙，其余纖維角度鋪層的表面相對(duì)平整。但無(wú)論何種纖維角度鋪層，其纖維斷口均清晰可見，無(wú)明顯樹脂涂覆現(xiàn)象。

整體而言，磨削加工表面質(zhì)量?jī)?yōu)于銑削加工表面質(zhì)量，尤其對(duì)于45°纖維角度鋪層。銑削加工導(dǎo)致的纖維集束彎曲斷裂會(huì)在碳纖維與樹脂界面產(chǎn)生裂紋，并存在向深度發(fā)展的趨勢(shì)，這也是分層缺陷產(chǎn)生的一大誘因。另外，對(duì)于90°和135°纖維角度鋪層，樹脂涂覆意味著表層樹脂溫度已達(dá)到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，基體性能存在損傷風(fēng)險(xiǎn)。

圖7為銑削加工與磨削加工后工件表面的粗糙度對(duì)比。由圖7可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于表面粗糙度Ra(輪廓算術(shù)平均偏差)而言，盡管銑削后的表面質(zhì)量要優(yōu)于磨削后的，但其誤差非常大；而對(duì)于表面粗糙度Rz(微觀不平度十點(diǎn)高度)而言，磨削加工后的表面質(zhì)量要優(yōu)于銑削加工后的，并且磨削后的表面粗糙度誤差要遠(yuǎn)低于銑削后的，說(shuō)明磨削加工表面質(zhì)量較好。該結(jié)果同樣也符合圖5和圖6的表面形貌觀察結(jié)果。

2.2 表面形貌形成機(jī)理

從正交切削角度而言，銑削加工為正前角加工，而磨削加工為負(fù)前角加工。圖8為銑削過(guò)程示意圖。碳纖維本身屬于硬脆材料，在去除過(guò)程中并無(wú)明顯塑性變形，而是發(fā)生斷裂或者破碎。以45°角纖維為例(圖8b)，在切入過(guò)程中，刀具前刀面切向與纖維方向夾角較小，刀具前刀面與刃口圓角的作用更類似于沿纖維軸向?qū)⑵浼鴱幕w分離。隨著刀具旋轉(zhuǎn)，纖維束彎曲不斷加劇直至斷裂，形成凹坑。

圖9為磨削過(guò)程磨粒接觸長(zhǎng)度，圖10為不同方向纖維斷裂形式。對(duì)磨削而言，無(wú)論磨粒如何分布，其加工工況均為負(fù)前角加工，磨粒切削刃切向與纖維方向夾角遠(yuǎn)大于銑削狀態(tài)時(shí)的，材料去除形式更加類似于在磨粒擠壓作用下直接發(fā)生破碎而分離。因此，2種截然不同的材料去除方式造成了加工表面形貌差異巨大。

90°纖維角度鋪層的材料磨削去除機(jī)理基本一致，相比于45°纖維角度鋪層材料，其已加工表面對(duì)碳纖維束的把持力明顯增強(qiáng)，碳纖維彎曲變形量明顯減小。切削加工中，材料去除形式從彎曲斷裂向破碎分離轉(zhuǎn)變，加工表面既存在一定數(shù)量的淺坑又存在部分樹脂涂覆。磨削加工時(shí)材料分離形式仍為碳纖維破碎。

對(duì)于135°纖維角度鋪層而言，2種工藝方法最大的差異為表面樹脂涂覆。樹脂涂覆意味著刀具與已加工表面存在嚴(yán)重的摩擦、擠壓作用。從加工形式來(lái)看，磨削為負(fù)前角切削，其對(duì)加工表面的擠壓作用應(yīng)更為劇烈，因此樹脂涂覆現(xiàn)象必定更為嚴(yán)重，但實(shí)際觀察對(duì)比的結(jié)果正好相反(圖5和圖6)?？紤]到銑削刀具后刀面同樣對(duì)加工表面有擠壓作用，可以通過(guò)比較銑削與磨削方式在加工弧區(qū)的作用比例來(lái)判斷刀具與加工表面作用的劇烈程度。加工弧區(qū)長(zhǎng)度L如式(1)所示：

(1)

其中：刀具直徑D=10 mm，徑向切寬ae=1 mm。代入可得L=3.22 mm。

立銑刀刃口數(shù)量為12，單刃后刀面周向長(zhǎng)度即為接觸長(zhǎng)度lm=0.85 mm(圖8a)，在刀具整體周向，切削刃后刀面占比Am如式(2)所示：

(2)

其中：刃口數(shù)量N=12。代入得Am=32.5%。

金剛石磨頭磨粒排數(shù)同樣為12排，金剛石磨粒作二維化處理，簡(jiǎn)化為正六邊形。由于磨粒方位的隨機(jī)性，如圖9所示，實(shí)際單顆磨粒接觸長(zhǎng)度是不斷變化的。磨粒尺寸以140 μm計(jì)算，實(shí)際接觸長(zhǎng)度為140～173 μm。因此金剛石磨頭磨粒占比Ag如式(3)所示：

(3)

其中：磨粒排數(shù)N=12。代入得Ag∈(5.3% , 6.6%)。

將結(jié)果代入式(4)和式(5)：

Lm=LAm

(4)

Lg=LAg

(5)

得出Lm為1.05 mm，Lg范圍在(0.17 mm，0.21 mm)?？梢园l(fā)現(xiàn)銑削加工過(guò)程后，刀面接觸長(zhǎng)度是磨削加工磨粒接觸長(zhǎng)度的5～6倍，充分說(shuō)明樹脂涂覆現(xiàn)象是由刀具后刀面的持續(xù)擠壓作用形成的。對(duì)刀具前后刀面的觀察同樣驗(yàn)證了該猜想，圖11為銑削刀具前后刀面的磨損形貌。從圖11發(fā)現(xiàn)：刀具后刀面出現(xiàn)了大量磨粒磨損，而前刀面幾乎無(wú)任何磨損。

(a) 后刀面 Flank face(b) 前刀面 Rake face圖11 銑削刀具磨損Fig. 11 Tool wear of end mill

3 結(jié)論

為研究銑削加工和磨削加工對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面質(zhì)量的影響，使用單層釬焊金剛石磨頭和金剛石涂層玉米銑刀對(duì)T800碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層壓板進(jìn)行切邊加工。通過(guò)對(duì)加工表面微觀形貌的觀察和表面粗糙度的測(cè)量對(duì)比，討論了2種加工方式下表面質(zhì)量差異和缺陷形成的原因，結(jié)論如下：

(1)磨削加工表面質(zhì)量?jī)?yōu)于銑削加工表面質(zhì)量。銑削加工表面多出現(xiàn)樹脂涂覆(135°和部分90°纖維角度鋪層)和無(wú)規(guī)律纖維集束斷裂凹坑(45°和部分90°纖維角度鋪層)。磨削表面無(wú)明顯樹脂涂覆和凹坑，纖維斷口清晰可見。

(2)正前角銑削加工會(huì)造成45°纖維角度鋪層集束斷裂而形成凹坑，并隨纖維角度增大而減輕。磨削加工下材料去除形式主要為磨粒擠壓后的破碎分離。

(3)銑削刀具后刀面與工件材料的長(zhǎng)期擠壓、摩擦是造成以135°纖維角度鋪層表面樹脂涂覆的主要原因，磨削加工由于磨粒與加工表面接觸長(zhǎng)度短，幾乎無(wú)明顯樹脂涂覆現(xiàn)象。