CFRP銑削加工三維形貌研究*

（南京航空航天大學(xué)江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點實驗室，南京 210016）

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）是以樹脂為基體，碳纖維為增強相的樹脂基復(fù)合材料[1]。CFRP以其高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減振性好、破損安全性好及性能可設(shè)計等優(yōu)勢在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2–3]。以CFRP 為代表的高性能復(fù)合材料已在大型飛機結(jié)構(gòu)中得到大量應(yīng)用，在降低機體結(jié)構(gòu)重量的同時，還能有效提高零件的疲勞壽命。雖然目前CFRP制件的成形主要運用近凈成形技術(shù)，但為了滿足零件最終的形狀、尺寸和裝配要求，仍需進(jìn)行二次機械加工，如銑邊、鉆孔等[4]。然而，由于碳纖維強度高、硬度大，樹脂材料散熱不良且材料整體呈力學(xué)各向異性，導(dǎo)致其機械加工條件比較惡劣，是典型的難加工材料[5]。銑削作為一種常見的CFRP后續(xù)加工方式，其加工表面質(zhì)量直接影響著工件的裝配和使用性能[6]。銑削的工藝參數(shù)對CFRP加工表面質(zhì)量有重要影響，因此研究工藝參數(shù)對其表面質(zhì)量的影響規(guī)律具有重要意義。

現(xiàn)階段對CFRP復(fù)合材料表面質(zhì)量的測量與表征中，主要還是使用接觸式粗糙度儀測量以及適用于金屬材料的二維表面粗糙度Ra作為評價標(biāo)準(zhǔn)[7]。CFRP經(jīng)切削加工后其表面留有各種凹凸缺陷，這些谷峰輪廓并非由刀刃直接切出，根據(jù)纖維和基體的性能以及纖維方向的不同呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的情況，此時沿用二維粗糙度測量與評定可能會丟失部分表面形貌信息。隨著測量儀器和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及工業(yè)發(fā)展的需求，近年來表面粗糙度的測量與表征已逐漸由二維向三維過渡。標(biāo)準(zhǔn)ISO 25178[8]將三維粗糙度分為高度參數(shù)、體積參數(shù)、功能參數(shù)、混合參數(shù)以及空間參數(shù)5組，總共23個參數(shù)。

Teicher等[9]進(jìn)行了CFRP復(fù)合材料的銑槽試驗，分別采用接觸式粗糙度測量裝置和非接觸光學(xué)測量儀器對機加工表面進(jìn)行測量，結(jié)果表明：由于不能充分顯示加工和材料特性引起的表面缺陷，輪廓的算術(shù)平均偏差Ra不適合作為碳纖維復(fù)合材料加工表面的評估參數(shù)。輪廓評價長度內(nèi)的最大峰谷高度差Rt以及各取樣長度最大峰谷高度差Rmax能夠體現(xiàn)復(fù)材加工后的表面缺陷。Duboust等[10]使用一種非接觸式的光學(xué)儀器來測量CFRP復(fù)合材料機加工后的表面粗糙度和表面損傷。結(jié)果證明：非接觸式光學(xué)方法在測量和表征復(fù)合材料表面粗糙度時，可以更全面地表征機械加工時纖維復(fù)合材料層壓板中的輪廓和復(fù)雜的損傷機理。在纖維復(fù)合材料表面的粗糙度測量中，應(yīng)進(jìn)一步使用諸如Ra之類的表面參數(shù)。峰度Rku和偏度Rsk粗糙度參數(shù)可以更全面地表征表面質(zhì)量和損傷，包括顯示裂紋、凹坑以及拔出的纖維。這些研究都提到了非接觸式光學(xué)方法在測量表面形貌時的優(yōu)勢以及Ra在表征CFRP復(fù)材時的缺陷，并研究使用更多的表面參數(shù)來表征復(fù)材加工表面，包括將表面粗糙度的維度從二維上升至三維。李皓[11]采用銑削試驗研究了切削參數(shù)（進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速以及銑削方式）和刀具磨損對 CFRP 切邊過程中的切削力、表面粗糙度Ra的影響規(guī)律?；谠囼灧治龊头讲罘治龅贸?，進(jìn)給速度（貢獻(xiàn)率為64.91%）是影響表面粗糙度的主要因素。

前期的研究主要集中在二維參數(shù)對復(fù)材加工后形貌的表征，缺乏三維表面粗糙度參數(shù)在不同工況下的變化研究，而材料的表面本質(zhì)是三維的，因此，本文的主要目的是在使用三維表面粗糙度表征復(fù)材銑削表面形貌的基礎(chǔ)上，研究了加工因素對三維表面粗糙度參數(shù)的影響。考慮到CFRP復(fù)材的加工特點，本文首先對三維表面粗糙度與傳統(tǒng)二維表面粗糙度表征銑削表面形貌進(jìn)行了對比，明確了三維表面粗糙度表征的優(yōu)勢所在；進(jìn)而根據(jù)材料的特點，在大量的三維粗糙度參數(shù)中篩選了合適的表征參數(shù)Sa、Sq、Ssk和Sku用來表征CFRP銑削表面三維形貌；最后研究了加工因素對Sa、Sq、Ssk和Sku各自的影響規(guī)律以及CFRP銑削表面的高度分布特點。

1 試驗及方法

銑削試驗采用T800型CFRP層合板T800/環(huán)氧樹脂作為試驗材料，銑削后樣件的規(guī)格及參數(shù)分別為，碳纖維體積含量65%，纖維方向[(–45°/90°/45°/0°）2]s，鋪層數(shù)16，規(guī)格100mm×14mm×3mm。銑削試驗的工裝采用壓板裝夾，如圖1所示。

圖1 工裝形式Fig.1 Tooling form

銑削試驗在DMG–ultrasonic 20 liner五軸精密加工中心上進(jìn)行，機床主軸功率15kW，最大轉(zhuǎn)速42000r/min。試驗刀具采用細(xì)菱紋式金剛石涂層立銑刀，如圖2所示，刀具采用OSG DIA–BNC，部分幾何參數(shù)分別為：外徑10mm， 刃長30mm， 底端刃12個，前角8°， 后角16°， 螺旋角15°。前期的研究結(jié)果表明，進(jìn)給速度是影響加工表面形貌的主要因素，因此，加工參數(shù)選用主軸轉(zhuǎn)速n=7000r/min，進(jìn)給速度vf分別為800mm/min、1000mm/min、1200mm/min、1400mm/min，軸向切深ap=3mm，徑向切深ae=10mm，銑削方式為槽銑，對槽銑后的兩個面進(jìn)行采樣觀察，其中一面反映了順銑加工方式，另一面反映了逆銑加工方式，CFRP纖維方向角度定義如圖3所示，纖維方向角定義為按順時針從刀具的進(jìn)給方向指向纖維方向。所有參數(shù)下的試驗均重復(fù)3次，對3次試驗結(jié)果取平均值。

圖2 銑刀Fig.2 Milling cutter

圖3 CFRP 纖維方向角定義Fig.3 Definition of orientation angle of CFRP fiber

加工表面的形貌采用Sensofar 3D光學(xué)輪廓儀進(jìn)行拍攝和測量，為避免刀具進(jìn)給加速度帶來的影響，如圖4所示，取樣件紅色方框部分作為采樣區(qū)域，測量參數(shù)為：選取共聚焦測量模式，采用Nikon 20倍鏡，單個視場范圍877μm×660μm，x軸采樣間距Dx=0.645μm，y軸采樣間距Dy=0.645μm，縱向分辨率Dz=8nm，橫向分辨率R1=0.31μm，最大斜率21°，數(shù)值孔徑NA=0.45，拍攝3×4共12個視場拼接后裁取2mm×2mm的采樣面積，得到表面形貌的各原始點坐標(biāo)。被加工樣件表面的顯微圖像用EM–30PLUS掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察。

圖4 CFRP表面形貌采樣Fig.4 Sampling of surface morphology of CFRP

2 結(jié)果與討論

2.1 CFRP銑削表面二維與三維形貌表征對比

以CFRP多向?qū)雍习鍨檠芯繉ο?，研究CFRP銑削的表面特性。加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n=7000r/min，進(jìn)給速度vf=800mm/min，軸向切深ap=3mm，徑向切深ae=10mm。采用Sensofar 3D光學(xué)輪廓儀獲得的二維輪廓如圖5所示，三維形貌如圖6所示。根據(jù)測量原始數(shù)據(jù)，計算獲得的二維粗糙度Ra和三維粗糙度Sa見表1。

圖5 CFRP復(fù)合材料銑削表面二維輪廓線（Ra=3.26μm）Fig.5 Two–dimensional contour line of CFRP composite material milling surface（Ra=3.26μm）

通過表1中Ra和Sa值的對比以及圖6中的表面三維形貌圖可以看出：在研究順銑表面時，由于銑削表面質(zhì)量較好，缺陷較少，Ra和Sa的值都比較穩(wěn)定。而在研究逆銑表面時，同樣的一個采樣區(qū)域內(nèi)，沿著不同的位置取母線，得到的二維輪廓參數(shù)Ra波動很大，Ra的最大值達(dá)到了5.51μm，最小值僅有1.12μm，離散系數(shù)達(dá)到了40.92%。一方面，這跟纖維鋪層方向的不同有很大關(guān)系，另一方面，CFRP的表面存在毛刺、撕裂、分層、纖維拔出等各種缺陷，也使二維輪廓參數(shù)Ra的值不穩(wěn)定。反觀Sa的值就比較穩(wěn)定，離散系數(shù)僅有12.15%。Ra只能夠提供表面單一輪廓上的輪廓高度和間距上的信息，這在表征各向同性的金屬表面質(zhì)量上有其合理性，但是在用來評定呈各向異性的CFRP時就存在著很大的缺陷。由于材料的表面本質(zhì)上是三維的，Sa則是計算了整個采樣面的算術(shù)平均高度，其包含的信息量是遠(yuǎn)多于Ra的。因此，在表征復(fù)材表面形貌時，選用三維粗糙度參數(shù)更為合理。

2.2 三維粗糙度參數(shù)的意義及選擇

ISO 25178標(biāo)準(zhǔn)將三維表面粗糙度分為高度參數(shù)、空間參數(shù)、混合參數(shù)、功能參數(shù)、體積參數(shù)以及特征參數(shù)6個部分。高度參數(shù)主要與表面的疲勞強度、連接剛度以及裝配性能等息息相關(guān)?？臻g參數(shù)主要用來評估表面的紋理特性，可以用來區(qū)分表面的紋理是否規(guī)則?；旌蠀?shù)與表面的密封性能、電磁接觸特性和光反射特性有關(guān)。功能參數(shù)和體積參數(shù)可以比較有效地表征零件表面摩擦磨損性能以及潤滑性能。特征參數(shù)反映一些微觀特征的基本幾何信息[12]。CFRP現(xiàn)主要用于航空、航天領(lǐng)域，其在飛機制造領(lǐng)域中主要用于承力結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能以及裝配性能更受關(guān)注，高度參數(shù)所表征的內(nèi)容與此比較吻合。因此，接下來的研究對象主要是三維粗糙度參數(shù)中的高度參數(shù)。

高度參數(shù)給出的主要是表面的高度或者深度的信息，其中最常用的是取樣區(qū)域內(nèi)算術(shù)平均高度Sa與取樣區(qū)域內(nèi)的均方根高度Sq。Sa表示相對于表面的平均面各點高度差的絕對值的平均值，Sa可以從總體上對表面的高度偏差進(jìn)行評價。Sq代表的是區(qū)域中各點高度的均方根，即高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。由圖6（a）可以看出，順銑時CFRP銑削表面各鋪層高度落差較小，表面纖維沿45°鋪層方向有一些“淺坑”，整體表面質(zhì)量較好。而當(dāng)采用逆銑時，由圖6（b）可以看出，纖維沿45°鋪層方向存在大量的“凹坑”，這是因為此時的纖維發(fā)生的是彎曲斷裂，纖維斷裂的位置在刀具刃口平面以下，大量的纖維被拔出或者露頭，這在圖7（a）和（b）中也得到很好的印證。相比于Sa，Sq在體現(xiàn)CFRP銑削表面這些屬性時有一定的優(yōu)勢。Ssk是取樣區(qū)域內(nèi)的偏斜度，Ssk=0表示表面高度對稱分布，Ssk>0表示表面幅度正偏態(tài)分布，Ssk＜0表示表面幅度負(fù)偏態(tài)分布。Sku表示表面形貌的陡峭度，常與偏斜度Ssk一起用來描述表面分布形狀，Sku=3的時候，表面形貌呈高斯分布，Sku越大，其高度分布更加尖銳，Sku越小，其高度分布越扁寬。因此，選擇Sa、Sq、Ssk和Sku4個參數(shù)對CFRP銑削表面形貌進(jìn)行聯(lián)合表征。Sa、Sq、Ssk和Sku的計算公式如下：

圖6 銑削表面三維形貌圖（進(jìn)給速度vf=800mm/min）Fig.6 Three–dimensional topography of milling surface (feed speed vf=800mm/min)

圖7 CFRP銑削表面SEM成像Fig.7 SEM image of milling surface of CFRP

其中，A為取樣區(qū)域；z（x，y）表示在位置（x，y）處的高度。

2.3 加工參數(shù)對三維粗糙度的影響規(guī)律

通過銑削試驗研究加工參數(shù)對Sa、Sq、Ssk和Sku的影響規(guī)律，其結(jié)果如圖8～10所示。由圖8可以看出，順銑條件下，進(jìn)給速度vf在800～1400mm/min范圍內(nèi)變化時，Sa隨著進(jìn)給速度的增大而增大，且增幅逐漸增大。進(jìn)給速度vf= 800mm/min，Sa有最小值3.15μm，vf=1400mm/min時，Sa增長到了15.74μm，這與進(jìn)給速度太大，單位時間去除材料變多，切削力增大，加工系統(tǒng)穩(wěn)定性下降有關(guān)；逆銑條件下，Sa整體呈增大的趨勢，但是進(jìn)給速度vf在1000～1200mm/min時有一個小幅度的下降。同樣的，在進(jìn)給速度大于1200mm/min后Sa急劇增大，進(jìn)給速度vf= 1400mm/min時，Sa有最大值20.65mm。相同進(jìn)給速度下，順銑加工表面的Sa普遍小于逆銑，順銑的加工表面質(zhì)量更好。

圖8 加工參數(shù)對Sa、Sq的影響規(guī)律Fig.8 Effect of processing parameters on Sa、Sq

Sq的變化趨勢與Sa基本一致，相同進(jìn)給速度以及銑削方式下，Sq值都略大于Sa。順銑時隨進(jìn)給速度的增大Sq從4.13μm增長到18.38μm。逆銑時Sq隨進(jìn)給速度的增大而增大，過程中有一段小幅下降，最終Sq從5.45μm增長到了23.80μm。

當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到1400mm/min時，Sa、Sq增幅都非常大，銑削表面質(zhì)量急劇惡化。由圖9可以看出，當(dāng)進(jìn)給量vf= 1400mm/min、纖維方向角為–45°時，纖維層的加工表面被抬高，且涂覆感較為嚴(yán)重，這是由于順纖維方向切削時，纖維在刀具的擠壓下發(fā)生了彎曲變形，隨后被切除，但由于進(jìn)給速度較大，單位時間切削的纖維量會變多，導(dǎo)致每次受擠壓彎曲的纖維量變多，當(dāng)?shù)毒咔羞^此處以后受壓彎曲的纖維又會發(fā)生回彈，使得該方向鋪層高于刀具切削平面。此外，在切削的過程中，樹脂基體由于切削中的高溫會軟化發(fā)生塑性流動，進(jìn)而涂覆在纖維表面。因此，本試驗加工系統(tǒng)中進(jìn)給速度不宜大于1200mm/min。

進(jìn)給速度vf= 800mm/min，逆銑條件下，Ssk有最大值3.18；進(jìn)給速度vf= 1400mm/min，順銑條件下，Ssk有最小值0.13。如圖10所示，無論何種銑削方式，偏斜度Ssk始終處于正值。隨著進(jìn)給速度的增大，偏斜度Ssk越趨向于0，這表明材料表面的高度分布（峰與谷）越趨于平均面對稱分布。這是因為材料經(jīng)切削后表面尖峰更多，Ssk此時大于0，從圖7（b）和（c）可以看到，進(jìn)給速度增大后，45°纖維鋪層表面的“凹坑”變多變深，導(dǎo)致波谷的成分增多，Ssk減小。相同的進(jìn)給速度條件下，逆銑得到的表面偏斜度Ssk均大于順銑，從圖6和圖9中也可以看出，逆銑條件下同時產(chǎn)生了更多的波谷和波峰。逆銑在45°纖維鋪層方向產(chǎn)生了更大的“深坑”，但是在– 45°以及90°纖維方向角時有更多的樹脂涂覆，因此逆銑時的Ssk反而大于順銑。

圖9 銑削表面三維形貌圖（進(jìn)給速度vf=1400mm/min）Fig.9 Three–dimensional topography of milling surface (feed speed vf=1400mm/min)

進(jìn)給速度vf= 800mm/min，逆銑條件下，Sku有最大值21.93°；進(jìn)給速度vf= 1400mm/min，順銑條件下，Sku有最小值2.01°。如圖10所示，無論順銑還是逆銑，陡峭度Sku的變化趨勢與偏斜度Ssk類似，隨著進(jìn)給速度的增大逐漸減小，樣件表面高度分布由高陡逐漸變得扁寬，幅度分布趨于平坦。逆銑時Sku普遍更大，峰與谷都更加尖銳。

圖10 加工參數(shù)對Ssk、Sku的影響規(guī)律Fig.10 Effect of processing parameters on Ssk，Sku

結(jié)合Sa、Sq、Ssk和Sku的變化規(guī)律可以看出，隨著進(jìn)給速度的增大，加工表面質(zhì)量變差，出現(xiàn)了更多的深谷，表面樹脂涂覆也加劇，幅度分布趨于平坦；順銑的加工表面質(zhì)量好于逆銑，尖峰和深谷更少，表面幅度分布更加平坦。

3 結(jié)論

（1）由于CFRP材料的各向異性及加工特性，用二維粗糙度來表征其表面形貌時存在較大的隨機性，會丟失較多的信息，三維粗糙度能夠反映更加真實的形貌特征。

（2）對ISO 25178標(biāo)準(zhǔn)中的高度參數(shù)進(jìn)行分析，通過對CFRP銑削表面形貌及形成機理的分析，選取了算術(shù)平均高度Sa、均方根高度Sq、偏斜度Ssk和陡峭度Sku對 CFRP的銑削表面形貌進(jìn)行聯(lián)合表征。

（3）得到了加工參數(shù)對CFRP銑削表面Sa、Sq、Ssk和Sku的影響規(guī)律，隨著進(jìn)給速度的增大，Sa、Sq逐漸增大，Ssk和Sku逐漸減小，表面質(zhì)量變差，順銑的加工表面質(zhì)量好于逆銑。在本試驗的參數(shù)范圍內(nèi)，若要保證銑削加工表面的質(zhì)量，應(yīng)選擇順銑的銑削方式，進(jìn)給速度vf不能大于1200mm/min。