CFRP銑削加工刀具優(yōu)化

賀 皚 袁信滿 陳保林 胡智欽

（①南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；②成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都 610091）

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有熱傳導(dǎo)效率低、熱膨脹率低、比強(qiáng)度高、比剛度大、耐高溫、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)及良好的抗疲勞損傷性能等優(yōu)異特性。碳纖維復(fù)合材料與鋼材相比其質(zhì)量減輕75%，而強(qiáng)度卻提高了4倍，因其優(yōu)異的性能在體育用品、風(fēng)電葉片、人造衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、航空產(chǎn)品以及高檔汽車等領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用[1]。然而由于CFRP的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，且層間結(jié)合強(qiáng)度較低，是典型的難加工材料，銑削過程中的常見問題是刀具磨損快、易形成毛刺、分層和崩邊等缺陷[2]。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者針對CFRP銑削加工表面質(zhì)量開展了大量研究。周井文等[3]研究了不同表層纖維方向、工件傾角和刀具進(jìn)給量對表面質(zhì)量存在影響。王福吉等[4]探究了纖維切削角、刀刃鈍圓半徑及銑刀運(yùn)動特點(diǎn)三者對于銑削表層損傷的影響機(jī)理，并建議采用直刃銑刀以降低軸向力引起分層的風(fēng)險(xiǎn)。殷俊偉[5]研究認(rèn)為纖維切削角而非纖維方向是加工損傷形成的決定性因素。陳雪梅等[6]研究了銑刀傾斜銑削對毛刺產(chǎn)生的抑制。Madjid H等[7]研究認(rèn)為切削參數(shù)是影響加工表面質(zhì)量的最根本原因，在一定范圍內(nèi)，切削速度越大，銑削力越低，加工表面質(zhì)量越好。其次，進(jìn)給速度越大的加工表面質(zhì)量越差。 Akira H等[8]研究發(fā)現(xiàn)銑刀螺旋角為β=60°比β=30°下的刀刃磨損寬度更小，銑削力更低，其加工表面形貌更加光滑和平整。 Prakash R等[9]研究認(rèn)為多齒銑刀能有效抑制加工表面分層和毛刺缺陷，梯形多齒銑刀的銑削力最低，加工表面質(zhì)量更好。 López N等[10]分析了多種涂層的菠蘿銑刀切削CFRP的切削性能，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整軸向切削力方向可以減少材料分層等缺陷。楊小璠等[11]分析了新型銑刀抑制毛刺產(chǎn)生的切削機(jī)理，認(rèn)為交錯刃立銑刀和菱齒型立銑刀能夠有效地抑制工件表面毛刺的產(chǎn)生。

對于結(jié)構(gòu)多變的CFRP工件，難以控制加工過程中的纖維切削角和工件傾角，因此通過優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)改善CFRP銑削加工表面質(zhì)量具有重要意義。前述專家學(xué)者探究了刀具涂層和幾何結(jié)構(gòu)對CFRP銑削加工表面質(zhì)量的影響，為提高CFRP加工表面質(zhì)量提供了理論支撐，但加工邊緣毛刺問題仍未得到有效解決。

菠蘿銑刀是加工CFRP的常用刀具，如圖1，其左螺旋槽開在右旋刀刃的后刀面上，左右旋刃同時參與切削，降低了法向切削力，但加工表面邊緣毛刺多，且排屑能力差。

圖1 菠蘿銑刀加工示意圖

左右旋交錯立銑刀是另一種加工CFRP的常用刀具，如圖2，下部為右旋切削刃，上部為左旋切削刃。加工時，通過控制刀具左右旋交叉中心位于被加工材料厚度的中心，可以降低軸向合力并有效去除加工表面毛刺。但在加工厚度變化區(qū)域時，難以控制刀具位置，并且刀刃易磨損，影響左右旋刀刃抑制毛刺的效果。

圖2 左右旋交錯立銑刀加工示意圖

可見，作為加工CFRP的常用刀具，菠蘿銑刀和左右旋交錯立銑刀加工表面邊緣毛刺問題仍然突出，需繼續(xù)探索抑制毛刺產(chǎn)生的方法。

1 銑削加工CFRP過程中毛刺的產(chǎn)生原理

在CFRP的銑削加工過程中，受刀刃磨損和切削力的影響，表層纖維未被有效切斷而產(chǎn)生毛刺。如圖3，切削力F可分解為垂直于CFRP鋪層的法向力Fn和平行于CFRP鋪層的切向力Ft。對于下表面的鋪層，法向力Fn指向材料內(nèi)部，表層纖維受法向切削力和材料的剪切作用而斷裂，因此能夠很好地抑制邊緣毛刺。而對于上表面的鋪層，法向力Fn指向材料外部，表層纖維易被切削刃帶起形成毛刺甚至表層撕裂缺陷。

圖3 CFRP銑削加工示意圖

由圖3建立切削力F、Fn、Ft的數(shù)學(xué)關(guān)系式，見式（1）。由于θ=α+β，式（1）可改寫為式（2）。其中，θ為切削力F與Ft的夾角；α為刀具軸線偏離鋪層垂直方向的角度，并以朝刀具進(jìn)給方向的反向旋轉(zhuǎn)為正；β為刀具螺旋角。

螺旋銑刀側(cè)傾銑削和直刃銑刀就是使（α+β）角度接近0°，以達(dá)到降低法向切削力和改善CFRP表層邊緣毛刺缺陷的效果。而菠蘿銑刀和左右旋交錯立銑刀則通過左右旋刀刃使表面層（α+β）<0°，從而達(dá)到對表層纖維的剪切作用，抑制毛刺產(chǎn)生。

2 CFRP銑削刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)CFRP邊緣毛刺產(chǎn)生的原理，以及對菠蘿銑刀和左右旋交錯立銑刀加工邊緣毛刺情況的分析，本文提出了一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的新型銑刀。如圖4，新型銑刀在圓周均布4組切削刃，每組切削刃之間開出直槽，每組切削刃端面設(shè)計(jì)有底刃。4組切削刃依次為菠蘿右旋刃、普通右旋刃、菠蘿左旋刃和普通左旋刃，每組切削刃均由密布刀刃組成，螺旋角均為45°，前角均為10°，后角均為15°，具基本信息見表1。

圖4 新型銑刀結(jié)構(gòu)示意圖

表1 新型銑刀基本信息

3 新型銑刀銑削加工試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用的加工設(shè)備為意大利橋式單主軸五坐標(biāo)數(shù)控龍門銑床GTF3010-9000，最大功率100 kW，最大扭矩58 N·m，最高轉(zhuǎn)速30 000 r/min，使用HSK63A刀柄。采用BIJIA500手持式數(shù)碼顯微鏡觀察毛刺、輪廓表面質(zhì)量及刀具磨損情況，采用POCKET SURF表面粗糙度測量儀測量輪廓粗糙度。

3.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的CFRP層壓板材料與某飛機(jī)零件使用的材料一致，采用24層單向碳纖維布預(yù)浸料，單層厚度約0.125 mm。碳纖維布預(yù)浸料采用Hexcel公司的材料 HexPly? M21E/34%/UD134/IMA-12K，CFRP層壓板基本信息見表2。

表2 CFRP層壓板基本信息

3.3 試驗(yàn)刀具

采用新型銑刀與菠蘿銑刀、左右旋交錯銑刀進(jìn)行對比切削試驗(yàn)，新型銑刀見圖5。

圖5 試驗(yàn)使用的銑刀

3.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)使用3把銑刀分別在3塊CFRP試切料上切邊加工，銑削參數(shù)相同，見表3。試驗(yàn)采用逆銑切邊，試驗(yàn)刀具進(jìn)給方向與CFRP纖維方向角呈45°。切削過程中采用Syntilo 9828冷卻液冷卻，圖6所示為試驗(yàn)加工現(xiàn)場。

表3 CFRP加工參數(shù)表

圖6 試驗(yàn)加工現(xiàn)場圖

3把銑刀銑削長度均為8 m，每銑削2 m即停止加工，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。使用BIJIA500手持式數(shù)碼顯微鏡觀察CFRP材料上下表面邊緣毛刺，測量最大毛刺長度，統(tǒng)計(jì)邊緣毛刺占比；拍攝每把銑刀刀刃的顯微照片，記錄刀刃后刀面最大磨損量；使用POCKET SURF表面粗糙度儀測量CFRP材料輪廓表面粗糙度數(shù)值。其中，毛刺長度和毛刺占比反映銑刀對毛刺的抑制效果。毛刺長度反映刀具對纖維的切斷效果，纖維不能有效切斷時，可能在表層產(chǎn)生撕裂缺陷，而毛刺占比則影響打磨工作量。輪廓表面粗糙度反映銑削加工表面質(zhì)量，刀刃后刀面磨損量反映刀具壽命。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 邊緣毛刺分析

由圖7～8可以看出，3種銑刀加工上、下表面邊緣毛刺占比均隨著銑削距離增加而增大?？梢婋S著刀具磨損增加，3種銑刀對毛刺的抑制效果均越來越差。切削長度為2 m時，新型銑刀及交錯銑刀加工的上下表面毛刺占比均小于菠蘿銑刀，其中上表面差異顯著大于下表面。這是因?yàn)?，此時切削長度不大，刀刃磨損較小，影響纖維切削效果的主要因素是刀具結(jié)構(gòu)。對于材料下表面，3種刀具的右旋刀刃和材料中間層一起對表層纖維形成剪切作用，因此毛刺較少。對于材料上表面，由于新型銑刀和交錯銑刀上具有左旋刃，也能夠?qū)Ρ砻胬w維形成剪切作用，因此毛刺也較少。而菠蘿銑刀雖然也具有左旋刃，但其左旋刃開在了右旋刃的后刀面上，除了與右旋刃前刀面的交點(diǎn)外，左旋刃的其余部分無法接觸工件最終表面，因此毛刺較多?？梢?，新型銑刀在上下表面均能較好地抑制毛刺抑制產(chǎn)生。

圖7 3種刀具加工上表面邊緣毛刺占比

圖8 3種刀具加工下表面邊緣毛刺占比

隨著銑削長度增加，刀具磨損加快，當(dāng)銑削長度為6 m時，菠蘿銑刀和交錯銑刀加工的上下表面邊緣均布滿了毛刺，而新型銑刀加工后的邊緣毛刺分布上表面小于20%，下表面約為50%。當(dāng)新型銑刀銑削長度為8 m時，下表面邊緣毛刺占比有所增加，但上表面邊緣毛刺占比仍處于較低水平，毛刺較少。這是因?yàn)?種銑刀參與切削CFRP表層材料的刀刃數(shù)量存在明顯差異，對于新型銑刀，受刀具結(jié)構(gòu)影響，參與上表面切削加工的刀刃總數(shù)為7個，參與下表面切削加工的刀刃總數(shù)為5個，如表4所示。而菠蘿銑刀參與上下表面層切削的刀刃數(shù)量最多只有4個，交錯銑刀則只有2個。相同切削條件下，參與切削的刀刃越多，每個刀刃上的切削力越小，刀刃的磨損也越小，對纖維的切除效果更好。也因此，新型銑刀加工表面毛刺的最大長度優(yōu)于菠蘿銑刀和交錯銑刀。如圖9所示，新型銑刀加工的毛刺長度最大值均小于菠蘿銑刀和交錯銑刀。同時，由于新型銑刀參與上表面切削的刀刃數(shù)量比下表面多2個，因此新型銑刀加工的上表面邊緣毛刺長度最大值和毛刺占比均小于下表面?？梢?，由于新型銑刀增加了參與切削的刀刃數(shù)量，因此相比其余兩種刀具其刀刃磨損較小，對毛刺的抑制效果較好。

圖9 3種刀具加工邊緣毛刺長度最大值

表4 新型銑刀加工上下表面刀刃數(shù)量

從毛刺在邊緣上的分布位置來看，材料中間區(qū)域毛刺情況優(yōu)于兩端，毛刺最大長度較小且出現(xiàn)的毛刺較少，圖10為采用新型銑刀加工8 m后下表面中間區(qū)域和端頭位置的邊緣毛刺情況。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，加工過程中CFRP材料在切削力作用下產(chǎn)生振動，在鋪層厚度方向產(chǎn)生彈性變形，有利于刀刃切除纖維。如圖11所示，切削過程中，設(shè)纖維束與刀刃接觸的初始位置為P1，材料未產(chǎn)生變形時，刀刃與纖維束接觸長度為S1。CFRP材料在鋪層厚度方向產(chǎn)生彈性變形時，刀刃與纖維束的相對位置關(guān)系存在兩種情況，一種是材料振動頻率不高，纖維束位置從P1運(yùn)動至P2的過程中，刀刃始終接觸并切削纖維束直至完全切斷，此時刀刃與纖維束接觸長度增加為S2。在此過程中，刀刃除了對纖維進(jìn)行剪切外，還對纖維產(chǎn)生了切割的效果，從而獲得更好的纖維切削效果。另一種是材料振動頻率很高，纖維束從P1位置開始即與刀刃分離，但由于材料振動的振幅不可能超過刀刃長度，因此纖維束每一次振動過程中，刀刃都能切除纖維。

圖10 新型銑刀加工8 m時下表面毛刺分布情況

圖11 CFRP材料彈性變形時刀刃切削纖維束示意圖

4.2 輪廓表面質(zhì)量分析

觀察3種銑刀銑削加工后的輪廓表面，均未發(fā)現(xiàn)纖維分層現(xiàn)象。隨著銑削長度增加，刀具磨損加快，輪廓表面粗糙度值均隨著銑削加工長度的增加而增加，尤其是銑削加工6 m以后，由于刀具磨損加劇，表面粗糙度急劇上升，如圖12所示。

圖12 3種刀具加工輪廓表面粗糙度

4.3 刀具壽命分析

菠蘿銑刀在加工2 m后就發(fā)生嚴(yán)重的崩刃現(xiàn)象，造成微齒刀刃結(jié)構(gòu)受損，已經(jīng)不能用后刀面磨損情況來判斷其刀具壽命。圖13為新型銑刀上普通左右旋刃與交錯銑刀刀刃的后刀面最大磨損量對比情況，可見，在切削長度為2 m時，新型銑刀普通左右旋刃后刀面磨損量顯著大于交錯銑刀。當(dāng)切削長度為8 m時，交錯銑刀后刀面磨損量迅速增加0.362 mm，顯著超過新型銑刀的0.269 mm。這是因?yàn)?，新型銑刀每個圓周截面上的刀刃數(shù)量都比交錯銑刀多。切削初期，由于刀具制造誤差，新型銑刀同一個圓周截面上的個別刀刃切削量大于其他刀刃，因此其切削力較大，相應(yīng)的磨損量也較大，而其余刀刃磨損量較小。圖14所示為切削長度2 m時新型銑刀普通右旋刃的磨損情況，可以看到，在3 mm的切削范圍內(nèi)，刀刃后刀面磨損情況存在明顯差異。隨著切削長度增加，所有刀刃切削量趨于一致，后刀面磨損量均勻增加。圖15所示為切削長度8 m時新型銑刀普通右旋刃的磨損情況，可以看到，在3 mm的切削范圍內(nèi)，刀刃后刀面均產(chǎn)生磨損。從圖14、圖15還可以看出，切削上表面的刀刃磨損情況優(yōu)于切削下表面的刀刃，因此材料上表面邊緣毛刺情況優(yōu)于下表面。

圖13 交錯銑刀和新型銑刀普通左右旋刀刃后刀面磨損

圖14 銑削長度2 m時新型銑刀普通右旋刃后刀面磨損情況

圖15 銑削長度8 m時新型銑刀普通右旋刃后刀面磨損情況

5 結(jié)語

（1）在8 m長的切削范圍內(nèi)，新型銑刀加工CFRP的邊緣毛刺占比、毛刺長度和表面粗糙度均優(yōu)于交錯銑刀和菠蘿銑刀，而交錯銑刀整體上優(yōu)于菠蘿銑刀。

（2）新型銑刀上的菠蘿右旋刃、普通右旋刃對CFRP材料下表面纖維產(chǎn)生剪切作用，菠蘿左旋刃、普通左旋刃對CFRP材料上表面纖維產(chǎn)生剪切作用，因此新型銑刀能夠?qū)FRP材料上下表面纖維產(chǎn)生剪切作用，從而抑制邊緣毛刺的產(chǎn)生。

（3）新型銑刀切削CFRP上表面的刀刃有7個，切削下表面的刀刃有5個，而菠蘿銑刀只有4個，交錯銑刀只有2個。較多的刀刃數(shù)量，能減少單個刀刃去除材料體積，降低刀刃切削力，降低刀具磨損，改善邊緣毛刺情況。因此在8 m長的切削范圍內(nèi)，新型銑刀加工后的邊緣毛刺占比及毛刺長度優(yōu)于交錯銑刀和菠蘿銑刀，且上表面毛刺情況優(yōu)于下表面。

（4）切削過程中，CFRP材料產(chǎn)生一定幅度的振動，有利于刀刃切除纖維。因此在8 m長的切削范圍內(nèi)，CFRP材料中間區(qū)域毛刺情況優(yōu)于兩端。

（5）新型銑刀的后刀面磨損情況優(yōu)于交錯銑刀，而菠蘿銑刀微齒由于強(qiáng)度較差，加工過程中易崩缺。