微量潤滑變角度高速銑削碳纖維增強復合材料的加工性能與材料去除機理

張立峰 張曉光

中國民航大學航空工程學院,天津,300300

0 引言

碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)是一種以碳纖維為增強體、以樹脂為基體的新型輕質(zhì)材料,具有比強度高、比模量高、抗疲勞、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好和可設計性強等優(yōu)異性能,廣泛用于航空航天、海洋工程、國防軍工等領(lǐng)域[1-4]。微觀結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)性和力學性能的各向異性使得CFRP成為典型的難加工材料[5],加工過程中常出現(xiàn)的毛刺、分層和凹坑等缺陷嚴重影響CFRP組件的裝配精度和使用壽命,限制了CFRP的工程應用[6-9]。因此,如何實現(xiàn)CFRP的高質(zhì)、高效和綠色加工是目前的研究熱點。

張立峰等[10]對碳纖維復合材料的磨削加工性能進行了研究。銑削是CFRP的主要加工方式。近年來,為優(yōu)化CFRP銑削工藝,改善CFRP加工質(zhì)量,國內(nèi)外學者從加工參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)、冷卻潤滑方式等方面進行了大量的實驗研究。武衛(wèi)洲等[11]研究了刀具刃口半徑對材料去除過程的影響,發(fā)現(xiàn)隨著刃口半徑的增大,纖維的主要失效形式從剪切失效變?yōu)閺澢?較小的刃口半徑有助于減小撕裂損傷的深度。CAI等[12]對典型纖維切削角下的加工表面形貌進行表征,分析了不同纖維取向下的表面損傷形式。BI等[13]分析了多齒銑刀切削CFRP時的刀具磨損以及刀具磨損對材料加工性能的影響,發(fā)現(xiàn)較低進給速率下的刀具磨損嚴重。ZOU等[14]開展了低溫條件下CFRP加工性能的研究,討論了不同切削參數(shù)下的冷卻方式對CFRP銑削性能的影響,發(fā)現(xiàn)纖維切削角對材料去除機理有顯著影響;低溫切削,特別是植物油基低溫微量潤滑(cooling minimum quantity lubrication,CMQL)有助于改善加工表面質(zhì)量。

為從細觀尺度揭示CFRP的去除機理,改善其切削性能,一些學者致力于CFRP銑削過程的理論建模和數(shù)值仿真研究。LIU等[15]建立了CFRP銑削的材料損傷失效演化模型,發(fā)現(xiàn)纖維切削角對銑削過程有顯著影響,纖維切削角從0°逐漸變?yōu)?80°時,材料的失效形式從初始的界面分離逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袛嗔?最后的失效形式以彎曲斷裂為主。SONG等[16]通過理論分析闡明了CFRP干式銑削過程中表面粗糙度的形成機制,建立了表面粗糙度的預測模型,并認為碳纖維的分布是影響表面粗糙度的主要因素。鄭華林等[17]建立了CFRP多次走刀的銑削有限元模型,分析了纖維切削角對切削力和亞表面損傷的影響。SHEIKH-AHMAD等[18]考慮刀具前角和切削刃半徑的影響,提出了一種預測復雜幾何形狀刀具切削力的解析模型。

綜上所述,現(xiàn)有的研究集中在常規(guī)切削條件下CFRP切削特性的實驗表征及數(shù)值模擬,對銑削方式(順銑、逆銑),特別是綠色加工條件下的CFRP加工性能的研究較少。為此,筆者采用納米流體微量潤滑(nanofluid minimum quantity lubrication,NMQL)工藝,針對單向CFRP復合材料,使用PCD玉米銑刀對特殊設計的正十二邊形試樣進行高速側(cè)銑實驗。通過多種冷卻潤滑條件下的對比實驗,深入分析纖維切削角度、冷卻潤滑條件、高速切削、銑削方式對切削力、表面質(zhì)量和切削溫度的影響規(guī)律,并對典型纖維切削角下的加工表面進行SEM表征。建立了典型切削角下的材料去除模型,揭示了CFRP高速切削的材料去除和表面創(chuàng)成機理。

1 實驗材料及方案

1.1 工件材料

為滿足航空工程所需的多方向力學性能,使役中的CFRP結(jié)構(gòu)件通常包含復雜的纖維編織結(jié)構(gòu)。為揭示纖維切削角對CFRP加工的影響機制,闡明材料去除機理,有必要將復雜的纖維編織結(jié)構(gòu)解耦。單向CFRP避免了纖維編織結(jié)構(gòu)復雜的界面和纖維方向問題,是研究各向異性材料機械加工性能較為理想的實驗材料。本文選用的工件材料為碳纖維增強樹脂基復合材料單向?qū)雍习?北京航空材料研究院)。增強相纖維采用T300-3K級碳纖維(東麗公司),基體相為雙馬來酰亞胺樹脂。碳纖維的力學性能參數(shù)見表1。

表1 碳纖維的力學性能參數(shù)

1.2 試驗方案

在MAKINO-V77型數(shù)控加工中心上開展試驗,圖1所示為CFRP高速側(cè)銑試驗平臺。試驗中,使用三向切削測力儀(Kistler 9257B)測量加工過程中的切削力信號。切削力信號經(jīng)電荷放大器放大后,由數(shù)據(jù)采集卡傳送給切削測力軟件(Kistler-DynoWare)。板狀試樣通過夾具水平固定在測力儀上,測力儀底面通過螺栓固定在機床工作臺上,試驗所用刀具為PCD玉米銑刀。

圖1 CFRP高速銑削實驗平臺

為研究纖維取向?qū)FRP加工性能的影響,傳統(tǒng)的實驗通常制備多個纖維角度的切削樣件,樣品制備和實驗過程繁雜,且測試過程中的反復定位、裝夾和對刀會導致隨機誤差,嚴重影響測試精度。本文提出一種針對各向異性材料變角度切削測試的方法,即采用正多邊形試樣,通過一次裝夾和單次走刀完成多個纖維切削角的銑削試驗。該方法實現(xiàn)了測試樣件的整合,提高了測試精度,簡化了試驗過程。圖2為正十二邊形試樣側(cè)銑試驗的示意圖,定義刀具進給方向與纖維方向的夾角(順時針)為纖維切削角θ。

圖2 正十二邊形試樣側(cè)銑試驗示意圖

試驗前,先將單向CFRP復合材料板切割成50 mm×50 mm×7 mm的板狀試樣,然后將試樣通過夾具水平固定在測力儀上,并將試樣加工成正十二邊形(內(nèi)切圓直徑為35 mm)。實驗過程中,銑刀先以較小的切削寬度沿此試樣切削一周。通過UG編譯每條切削路徑的走刀軌跡和切削參數(shù),生成CNC代碼程序。銑刀以圓弧式進退刀的方式沿試樣的各個側(cè)面依次完成不同纖維切削角度的側(cè)銑試驗,使用測力儀采集全部切削路徑下的切削力信息。

圓形試樣的纖維切削角度急劇變化,無法獲得指定纖維切削角度下的穩(wěn)定切削力信號和完整加工表面信息。本文提出的正多邊形試樣切削方法中,各個纖維切削角度的切削力信號具有清晰的邊界,特定纖維切削角下的切削路徑較長且平穩(wěn)。正十二邊形試樣通過一次走刀可以完成典型纖維切削角度(0°、30°、…、150°)的穩(wěn)定切削力測量,而且可以充分保留各纖維切削角度下的加工表面信息,便于表面質(zhì)量的精確分析。正多邊形每個側(cè)面的切削路徑均可設置獨立的加工參數(shù)(切削速度、進給量、切削深度、順銑、逆銑),由此進行快速、準確的切削性能測試分析。本方法還可通過改變正多邊形的邊數(shù),實現(xiàn)不同細分角度增量的切削測試。

表2所示為高速銑削試驗參數(shù)。在立式加工中心上采用單因素試驗方法對比研究纖維切削角度、切削速度、銑削方式(順銑、逆銑)和冷卻潤滑條件對CFRP高速銑削性能的影響。其中,冷卻潤滑條件包括干切削、澆注式切削(切削乳化液)、微量潤滑(minimal quantity lubrication,MQL)和納米流體微量潤滑(NMQL)。微量潤滑切削液的基礎(chǔ)油為蓖麻油,納米材料為MoS2納米顆粒。所有參數(shù)下的試驗均重復3次,對3次試驗數(shù)據(jù)取平均值進行試驗結(jié)果分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 切削力信號分析

切削力是銑削加工的重要研究對象,其大小和波動會對刀具的磨損及加工質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。側(cè)銑過程中,刀具在Z向(豎直方向)沒有進給,因此測力儀在Z向測得的切削力可忽略不計。圖3所示為正十二邊形試樣側(cè)銑的典型切削力信號。為準確獲取X向、Y向的切削力,需對原始切削力信號進行濾波處理。

圖3 銑削正十二邊形試樣典型的切削力信號圖

刀具的法向切削力Fn和切向切削力Ft可通過計算得到。根據(jù)力的矢量分解原理可得

Ft=|Fysinθ-Fxcosθ|

(1)

Fn=|Fycosθ+Fxsinθ|

(2)

式中,Fx為測力儀在X方向測得的切削力;Fy為測力儀在Y方向測得的切削力;θ為纖維切削角。

2.2 微量潤滑變角度高速銑削CFRP的切削力

切削力是產(chǎn)生各種加工損傷的根源,闡明纖維切削角、銑削方式、切削速度和冷卻潤滑條件對單向CFRP高速銑削過程中切削力的影響,對揭示CFRP的去除機理、探明材料去除機理有重要意義。

2.2.1纖維切削角對切削力的影響

圖4所示為纖維切削角對CFRP銑削過程(fz=0.03 mm,ae=1.5 mm,vc=300 m/min)中切削力的影響規(guī)律。由圖4可知,纖維切削角對CFRP銑削力具有顯著影響。刀具的法向切削力Fn和切向切削力Ft隨纖維切削角變化時,由大到小的切削力對應的切削角依次為60°、90°、30°、0°、150°、120°,且Fn明顯大于Ft。相較于順纖維切削(0°≤θ≤90°),逆纖維切削(90°<θ≤180°)的切削力較小。試驗結(jié)果還顯示,相較于順銑,逆銑的Fn和Ft均減小,其中,Fn最大減小25%,Ft最大減小40%,可見,對于CFRP的高速切削,采用逆銑工藝可以減小切削力。

圖4 纖維切削角對切削力的影響

2.2.2切削速度對切削力的影響

切削過程中的主切削力(Ft)對刀具磨損和切削溫度具有重大影響。圖5是切削速度對CFRP銑削過程中切向切削力Ft的影響圖。由圖5可知,主切削力隨切削速度的增加先增大后減小,切削力在切削速度為200 m/min時達到最大值。金剛石刀具高速切削CFRP可在提高加工效率的同時減小切削力。這是因為高速切削時,纖維的應變率增大,CFRP更容易被去除。切削力不僅能反映加工過程中的切削狀態(tài),還能反映潤滑狀態(tài)。相對于干切削,澆注式冷卻、MQL和NMQL條件下的切削力都減小,其中,MQL切削可使Ft減小約15%,NMQL可使Ft減小約20%。這說明CFRP高速切削時,切削液在切削界面起到了良好潤滑作用。盡管傳統(tǒng)的澆注式冷卻可以有效減小切削力,但這種方法成本高且對環(huán)境不友好。MQL雖可以減小CFRP銑削過程中的切削力,但其效果不如澆注式冷卻。添加MoS2納米粒子后,微量潤滑的切削力顯著減小,可見,相對于澆注式冷卻,采用NMQL不僅可以降低切削液用量,而且可以明顯改善切削界面的潤滑效果,有效減小主切削力。

圖5 切削速度對切削力的影響

2.3 微量潤滑變角度高速銑削CFRP的表面質(zhì)量

CFRP構(gòu)件的工作性能及使用壽命在很大程度上取決于零件的表面質(zhì)量。表面粗糙度和表面形貌是表面質(zhì)量的重要表征。為揭示CFRP的高速切削性能,研究了銑削方式、纖維取向和不同切削冷卻條件對單向CFRP表面粗糙度的影響,并對比分析了不同纖維切削角下的加工表面形貌。

2.3.1表面粗糙度

表面粗糙度是加工表面質(zhì)量的重要評價指標。工件表面的面粗糙度Sa可以準確、全面評價工件的表面質(zhì)量。圖6所示為不同冷卻潤滑條件下,纖維切削角對單向CFRP銑削加工表面粗糙度Sa的影響。結(jié)果顯示,纖維切削角對Sa具有顯著影響。順纖維切削時,Sa較小且變化不明顯;逆纖維切削時,加工表面粗糙度急劇變化。θ=90°時,表面粗糙度最小,表面質(zhì)量較好;θ=150°時,表面粗糙度最大,加工表面質(zhì)量變差。對比逆纖維切削,順纖維切削時CFRP加工的表面粗糙度較小,表面質(zhì)量較好。干切削條件下,相較于順銑,逆銑加工的表面粗糙度Sa減小10%～35%。逆銑工藝不但有助于減小CFRP切削過程中的切削力,還有助于提高加工表面質(zhì)量,更適合CFRP高速切削。

圖6 纖維切削角對表面粗糙度的影響

試驗還發(fā)現(xiàn),相較于干切削,MQL可以減小加工表面粗糙度,但傳統(tǒng)的澆注式冷卻在減小CFRP加工表面粗糙度、提高加工表面質(zhì)量上的效果仍優(yōu)于MQL。加入納米顆粒后,NMQL可以顯著減小CFRP加工的表面粗糙度。這是因為MoS2納米顆粒憑借優(yōu)異的摩擦學性能,能在CFRP切削過程中起到有效的減摩和潤滑作用,提高CFRP的切削加工性能。

2.3.2表面形貌

加工表面的微觀特征可以更加直觀地評價加工形貌和表面缺陷。圖7所示為典型纖維切削角度下的CFRP加工表面微觀形貌,可以看出,纖維切削角對單向CFRP高速銑削加工表面形貌有顯著影響。θ=0°時(圖7a),多數(shù)纖維以層狀方式去除,部分纖維從基體中剝離,形成圓弧形溝槽。加工表面可見少量的纖維斷裂,但整體較為平整。θ=60°時,較多纖維發(fā)生橫向斷裂,加工表面呈現(xiàn)脆性斷裂的纖維斷口,沿纖維方向可見少量凹坑,纖維-基體界面出現(xiàn)脫粘和剝離。θ=90°時,纖維斷口清晰可見,且斷面較為平齊。由于刀尖作用下纖維斷裂的隨機性,加工表面出現(xiàn)明顯的微小毛刺和凹坑,但表面質(zhì)量總體較好。θ=150°時,大量纖維發(fā)生彎曲斷裂,纖維彎折型斷口明顯,且不同纖維斷口高低起伏較大。由于大量纖維的彎折和拔出,加工表面可見顯著的剝離狀溝槽和凹坑,表面質(zhì)量顯著惡化。

(a)θ=0° (b)θ=60°

2.4 微量潤滑高速銑削CFRP的切削溫度

圖8所示為不同冷卻潤滑條件下切削速度對刀具切削刃溫度的影響,可以看出,切削溫度隨切削速度的增加而升高。這是因為切削速度增大,單位時間內(nèi)去除的材料增多,刀尖處的切削和摩擦抗力增大。對比干切削,澆注式、MQL和NMQL下的切削溫度明顯降低,其中,MQL可使切削溫度降低約35%,NMQL可使切削溫度降低約40%。MQL雖有助于降低切削溫度,對切削界面起到一定的冷卻效果,但冷卻效果不及澆注式。添加MoS2納米粒子后,切削溫度進一步降低,這說明納米粒子的添加增加了切削液的換熱能力,在一定程度上彌補了微量潤滑冷卻效果的不足,可見,NMQL在CFRP復合材料的高速切削過程中,不僅有助于改善材料的加工性能,而且有助于降低切削溫度,延長刀具壽命,因此是一種具有良好應用前景的綠色加工方式。逆銑工藝不僅可以降低CFRP高速切削時的切削力,改善加工質(zhì)量,同時切削溫度也低于順銑,所以逆銑工藝可作為CFRP復合材料切削加工的首選。

圖8 切削速度對切削溫度的影響

3 材料去除機理

3.1 切屑形貌

圖9為單向CFRP干切削條件下切屑的SEM顯微照片。對切屑形態(tài)的分析有助于揭示纖維去除方式和材料的加工過程。根據(jù)切屑微觀形貌的分析,CFRP銑削產(chǎn)生的切屑呈現(xiàn)出兩種形態(tài):短棒狀的碎斷纖維、顆粒狀的樹脂基體。切斷的纖維體積小、形狀不規(guī)則,且碎斷纖維的橫截面直徑與碳纖維的直徑一致。這證實了CFRP銑削時材料的主要去除形式是刀尖作用下的纖維徑向斷裂切除和基體破碎。這與金屬材料形成的切屑不同。

圖9 切屑的SEM顯微照片

切屑的微觀形貌與CFRP加工表面的顯微形貌相互印證,都證實了碳纖維以刀尖應力作用下的脆性斷裂方式去除,且無論沿哪個方向切削,均是纖維徑向的切削應力達到纖維的強度極限而發(fā)生的剪切或彎曲作用下的徑向破壞失效。這是導致切屑均為短棒狀的碎斷纖維的根本原因。

3.2 材料去除模型

圖10所示為典型纖維切削角度下的CFRP材料去除模型。θ=0°時(圖10a),由于刀尖鈍圓半徑的作用,第一變形區(qū)(紅色區(qū)域)處的纖維受到沿纖維軸向和徑向的切削力的疊加作用,易從基體中剝離;與第二變形區(qū)(綠色區(qū)域)接觸的纖維被軸向壓縮發(fā)生彎曲變形而失效;第三變形區(qū)(粉色區(qū)域)附近的纖維在后刀面的擠壓作用下先發(fā)生彎曲變形,隨后纖維回彈,回彈的纖維對刀具后刀面產(chǎn)生摩擦作用,材料在這種情況下的失效以層間剪切去除為主。

(a)0° (b)45°

θ=45°時,在壓縮和彎曲載荷的作用下,第一變形區(qū)的纖維所受載荷超過其徑向強度而發(fā)生脆性斷裂,隨后沿前刀面滑移排出。第三變形區(qū)處的纖維在刀具的切削運動下被推壓到切削刃下方,界面處裂紋進一步擴展,而后纖維發(fā)生回彈。相較于0°的纖維切削角,此時纖維的回彈更為明顯,刀具后刀面的磨損也更為嚴重。

θ=90°時,材料的去除機理與θ=45°時相似,但纖維受到的徑向剪切載荷更為集中,并最終因所受壓應力超過纖維的徑向強度極限而失效。此時的纖維更易被切斷,纖維截面較為平整,纖維變形和回彈較小,表面質(zhì)量較好。

θ=135°時,材料的去除形式以彎曲失效為主。在刀尖的擠壓和彎折作用下,大量纖維發(fā)生彎曲斷裂,斷裂點位于第一變形區(qū)下方且不可控。這是造成135°的加工表面粗糙度大的主要原因。此外,纖維斷裂前的較大變形導致纖維-基體界面脫粘和剝離損傷嚴重。大部分纖維的斷口處于加工表面下方,此時的纖維回彈較弱,刀具磨損明顯降低。

4 結(jié)論

(1)提出了一種針對各向異性復合材料切削性能測試的方法,通過正多邊形切削軌跡的方法可以實現(xiàn)多種切削角度、切削參數(shù)和順/逆銑方式的測試整合,有效降低了隨機誤差,提高了測試精度和效率。

(2)PCD玉米銑刀的切削速度超過200 m/min時,法向和切向的切削力均有所減小。相較于順銑,逆銑工藝下的切削力、表面質(zhì)量、切削溫度均有所改善,可見,對于CFRP的切削加工,逆銑工藝較適合。

(3)對單向CFRP沿典型纖維切削角進行高速側(cè)銑試驗,發(fā)現(xiàn)纖維切削角對CFRP的切削力和表面質(zhì)量具有顯著影響。試驗結(jié)果顯示,法向切削力大于切向切削力,由大到小的切削力對應的切削角依次為60°、90°、30°、0°、150°、120°。順纖維切削時的表面粗糙度較小,逆纖維切削時的表面質(zhì)量急劇惡化。順/逆銑加工均顯示纖維切削角90°的表面粗糙度最小。

(4)冷卻潤滑條件對CFRP高速銑削的切削力、表面粗糙度、切削溫度具有重要影響。納米流體微量潤滑切削在改善CFRP切削加工性能,降低切削溫度方面顯示出優(yōu)異的效果,具有良好的應用前景。