涂层硬质合金刀具切削碳纤维复合材料磨损机理

尚晓峰，高石鑫

(沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110136)



涂层硬质合金刀具切削碳纤维复合材料磨损机理

尚晓峰，高石鑫

(沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110136)

针对碳纤维复合材料切削过程中刀具磨损的问题，采用涂层硬质合金刀具对碳纤维复合材料管材试件进行了切削试验。对切削过程中的刀具磨损形态、磨损原因和磨损规律进行了研究，并分析了切削速度对刀具磨损的影响。试验结果表明：涂层硬质合金刀具的磨损发生在后刀面和切削刃处,刀尖圆弧处磨损最严重，出现凹坑，刀具磨损后期，后刀面上有黑色粘结物。刀具磨损原因主要是磨粒磨损，刀具磨损速度较快，刀具寿命低，并且切削速度的增加对刀具磨损的影响十分明显。

碳纤维复合材料；涂层硬质合金刀具；刀具磨损；切削速度

0 引言

碳纤维复合材料具有很高的比强度和比模量，耐高温、耐疲劳、热稳定性好等特点。目前已被广泛应用于航空、国防和交通运输结构件以及体育用品中[1]。碳纤维复合材料是各向异性材料，碳纤维复合材料由增强材料和基体材料构成，其中增强材料碳纤维硬度大，并且具有极强的研磨性，基体材料树脂具有较低的热传导率和较低的延展性。由于碳纤维复合材料具有以上特性，所以在切削加工中会出现很多问题，主要的问题是严重的刀具磨损和低劣的表面质量。

已经有国内外学者对碳纤维复合材料加工过程中的刀具磨损机理进行了研究。日本学者花崎伸作等[2]分析了碳纤维复合材料切削加工中最大的问题是严重的刀具磨损和低劣的表面质量，刀具磨损主要是后刀面磨损。

目前，对碳纤维复合材料的后加工仍以硬质合金刀具为主，碳纤维复合材料切削加工过程中易发生严重的刀具磨损[3]，所以对碳纤维复合材料切削过程中的硬质合金刀具磨损机理进行了研究。

试验以涂层硬质合金刀具车削碳纤维复合材料管材为研究对象，对切削过程中涂层硬质合金刀具的磨损形态、磨损原因以及磨损规律进行了研究，并对切削速度对刀具磨损的影响进行了分析。

1 切削试验

1.1 工件材料

试验采用的被切削试件材料为采用纤维缠绕法制成的碳纤维复合材料管材，如图1所示。增强纤维材料为直径7μm的PAN系(聚丙烯腈)高强度碳纤维，纤维体积含有率为50%，基体材料为热固性树脂环氧树脂，试验采用的碳纤维复合材料管材外径为74mm，内径为58mm，其力学性能如表1所示。

图1 碳纤维复合材料管材试件

1.2 刀具材料及几何参数

为了研究涂层硬质合金刀具切削碳纤维复合材料过程中刀具的磨损机理，试验选取了一种常用的YT类涂层硬质合金刀具，刀具表面通过化学气相沉积(CVD)法在硬质合金基体上涂敷晶粒极细的硬度和耐磨性较高TiN和Al2O3，以提高刀具的耐磨性。

为了试验的方便选取了可转位数控车刀，所选数控刀杆型号为MTGNR2525M16右偏刀。可转位刀片安装后刀具的几何参数为：刀具前角γ0=6°后角α0=6°，刀尖圆弧半径rε=0.5mm，刀具主偏角κr=91°，下图为试验所选用的刀杆和刀片。

图2 试验中使用的刀杆和刀片

1.3 切削试验方案

切削试验在CA6140普通车床上进行，采用干式切削，刀具切削一定的路程后，取下刀片，用数码显微镜观察刀具前刀面和后刀面的磨损形态，并对后刀面磨损宽度进行测定。试验中分别采用两种速度进行对碳纤维复合材料试件进行干式切削，切削参数为：切削速度v=104m/min、165m/min，进给量f=0.24mm/r，切削深度为ap=2mm。

2 试验结果与分析

2.1 刀具磨损形态

切削碳纤维复合材料过程中，刀具的磨损形态主要表现为后刀面磨损和靠近切削刃处的边界磨损。碳纤维复合材料属于难加工材料，在切削加工过程中，在切削刃的切割作用下形成已加工表面，切削刃受到基体材料树脂和增强材料碳纤维的双重摩擦，特别是高硬度碳纤维对切削刃的摩擦作用，使切削刃发生磨损；同时，切削加工形成的已加工表面，由于切断的碳纤维发生弹性回弹并挤压后刀面，增加了后刀面与已加工表面的压力，纤维断口不断磨损后刀面，从而导致了后刀面的磨损。图3为涂层硬质合金刀具切削碳纤维复合材料切削距离分别为L=137m和L=374m时前刀面、主后刀面及副后刀面的磨损形态图。

图3 涂层硬质合金刀具磨损形态

观察刀具前刀面的磨损形态，前刀面并没出现在金属切削过程中经常出现的前刀面月牙洼磨损，是因为碳纤维切削过程与金属切削有所不同，碳纤维复合材料切削过程中，碳纤维在应力的作用下，几乎不发生塑性变形，切屑主要是粉末状切屑，切屑不会摩擦前刀面，所以只在靠近切削刃和刀尖圆弧处发生边界磨损，沿着主切削刃和刀尖圆弧呈现出带状磨损区域。刀尖圆弧处的区域磨损严重，刀具表面的TiN和Al2O3涂层被磨穿，露出硬质合金基体，这是由于刀尖圆弧处的切削温度过高，导致了磨损的加剧。磨损区域随着远离刀尖圆弧处，磨损程度逐渐降低，磨损区域只是TiN涂层被磨穿，并露出黑色的Al2O3涂层。对比切削长度增加时的刀具前刀面磨损情况，磨损区域的长度虽然没有明显增加，但可以明显观察到磨损区域的磨损程度的增强，整个磨损区域的TiN和Al2O3涂层均被磨穿，露出硬质合金基体。

用涂层硬质合金刀具车削碳纤维复合材料刀具磨损主要是后刀面磨损，观察刀具主后刀面的磨损形态，主后刀面的磨损呈现出三角形的带状磨损，靠近刀尖处的磨损宽度最大，随着逐渐远离刀尖，磨损宽度逐渐减小。碳纤维复合材料切削过程中，主后刀面与工件上的过渡表面接触，由于切削刃不断切割碳纤维复合材料工件，过渡表面并不是光滑的表面，而是很粗糙的，有许多被切断碳纤维伸出，碳纤维的硬度高，有很强的磨蚀作用，在高速下主后刀面不断被其摩擦，导致主后刀面发生磨损。随着切削距离的增加，对比切削长度增加时的刀具主后刀面磨损情况，可以观察到磨损区域宽度的明显增加，磨损程度也有所加深，并且在后刀面磨损区域下方的附近的区域有明显的黑色粉末状粘结物，粘结物主要是基体树脂受热碳化造成的。

观察刀具的副后刀面，也发生了严重的磨损，磨损区域呈现为三角形,靠近刀尖圆弧处的磨损宽度最大，磨损程度最深。图4为后刀面刀尖圆弧处的局部放大图，可以观察到后刀面刀尖圆弧处磨损很严重，出现了明显的凹坑。在切削碳纤维复合材料过程中，副后刀面与已加工表面相接处。在金属切削的过程中也会发生副后刀面的磨损，但是相比之下碳纤维复合材料切削过程中副后刀面的磨损更为严重。这是由于碳纤维复合材料在切削过程中，切断的硬质碳纤维回弹，挤压后刀面，从而增大了后刀面与被加工材料间的接触压力，高硬度的纤维断口高速摩擦副后刀面，加速了刀具的磨损。

图4 后刀面刀尖圆弧处磨损形态

2.2 刀具磨损规律

由于硬质合金刀具切削碳纤维复合材料过程中后刀面磨损较为严重，所以通过对刀具后刀面磨损区域的检测来研究硬质合金刀具的磨损规律。图5为后刀面磨损宽度随切削长度增加的变化规律图。

(v=104m/min f=0.24mm/r ap=2mm)

图5所示为切削速度为104m/min时的刀具磨损曲线，由图可知，后刀面磨损过程大致可以分为三个阶段。从开始切削到切削距离为300m左右这一阶段，后刀面的磨损量的增量较大，在图上表现出为磨损曲线的斜率较大，主要原因是新的刀片刃口比较锋利，后刀面与加工表面接触面积较小，接触应力较大，很快使后刀面靠近切削刃处被磨平。切削距离从300m到700m左右这一阶段，后刀面的磨损仍然不断增加，但磨损增量有所降低，在图上表现为磨损曲线的斜率减小，由于上一阶段在后刀面靠近切削刃处被磨平的缘故，使后刀面与加工表面的接触面积增大，它们之间的接触应力减小，并且由于接触面积的增大，提高的刀具的散热能力，从而使磨损量增大的速度降低了。随着切削距离的增加，切削距离在700m到850m之间时，相比上一阶段的磨损，磨损曲线的斜率增大了，即刀具的磨损速度加剧了，这是由于切削刃不断被磨蚀导致刃口变钝，从而引起了切削力的增大、切削温度上升，刀具耐用度降低，导致刀具磨损加速。

2.3 切削速度对刀具磨损的影响

分析切削碳纤维复合材料过程中切削速度对刀具磨损的影响，采用切削深度a=2mm，进给量f=0.24mm/r，切削距离L=137m，并分别选取两种切削速度v1=104m/min，v2=165m/min切削碳纤维复合材料管材。上述切削试验完成后，通过数码显微镜观察得到如下的不同切削速度下的刀具磨损图。

图6 不同切削速度下的刀具磨损图

观察并对比不同切削速度下的刀具磨损图，可以发现随着切削速度的提高，前刀面切削刃附近磨损区域的长度大致相同，但磨损深度加深，同样，主后刀面的磨损宽度也加大了。观察副后刀面，在高速切削下，刀具磨损区域的长度和磨损程度都增加了，加工过程中副后刀面与已加工表面接触，切削速度增加，导致已加工表面的碳纤维弹性回弹增大，增大了后刀面与已加工表面接触面积和压力，从而使摩擦加剧，切削速度的增大对刀具磨损的影响十分明显。

3 结论

利用涂层硬质合金刀具切削碳纤维复合材料管材试件，分析了硬质合金刀具的磨损形态、磨损原因和磨损规律，并分析了切削速度对刀具磨损的影响。通过试验并分析得出如下结论：

(1)采用干式切削碳纤维复合材料时，涂层硬质合金刀具的磨损形态为后刀面的划痕磨损和刀尖圆弧的凹坑磨损以及前刀面靠近切削刃处的磨损，刀具磨损原因是高硬度的碳纤维造成的硬质点磨损为主并伴随有粘结磨损。

(2)从刀具磨损规律上看切削碳纤维复合材料时刀具磨损大致可以分为三个阶段，和切削金属材料的磨损规律相似，但切削时碳纤维复合材料的刀具寿命更低。

(3)切削速度对刀具磨损的影响比较明显，随着切削速度的增加，刀具磨损程度明显增加。

[1] 沈观林，胡更开. 复合材料力学[M]. 北京：清华大学出版社，2010.

[2] 花崎伸作. CFRP切削におけゐ工具摩耗機構[A]. JSME C.日本機械學會論文集[C].日本：日本機械学会，1994，60(1):297-302.

[3] 胡宝刚,赵建设,李德茂. 碳纤维复合材料的切削加工工艺[J]. 导弹与航天运载技术,1994(5):48-52,77.

[4] 刘浩文,程寓,苏飞. PCD成型铣刀铣削CFRP的试验研究[J]. 组合机床与自动化加工技术,2014(5):19-22.

[5] 王明海,徐颖翔,刘大响,等. 碳纤维复合材料螺旋铣孔刀具磨损研究[J]. 制造业自动化,2015(4):40-44.

[6] 张厚江,樊锐,陈五一,等. 高速钻削碳纤维复合材料钻削力的研究[J]. 航空制造技术,2006(12):76-79,82.[7] 蔡晓江,邱坤贤,王呈栋,等. 航空高强度碳纤维单向层合结构复合材料在切削过程中的各向异性行为研究[J]. 南京航空航天大学学报,2014,46(5):684-693.

[8] 魏良耀,程寓. 涂层钻头钻削碳纤维复合材料的轴向力研究[J]. 制造技术与机床,2013(1):141-144.

[9] 魏良耀. 碳纤维复合材料钻削轴向力及刀具磨损的试验研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[10] 郭铃,林有希. 碳纤维增强复合材料高速切削刀具研究现状[J]. 机械工程与自动化,2014(5):220-221,224.

[11] 叶衔真. 碳纤维复合材料制件切削工艺优化[D]. 厦门:集美大学,2014.

[12] 佟沐霖. 碳纤维复合材料钻削过程仿真与实验研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨理工大学，2014.

[13] Chung Shin Chang. Prediction of Cutting forces in Turning of Carbon-Fiber-Reinforced Plastics (CFRP) Composite[C]. The 14th National Conference on Sound and Vibration, Ilan,2006.

(编辑 李秀敏)

Wear Mechanism Coated Cemented Carbide Tool during Cutting of CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics)

SHANG Xiao-feng, GAO Shi-xin

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136,China)

According to the severe tool wear during cutting of carbon fiber reinforced plastics, a turning experiment of carbon fiber reinforced plastics pipe was conducted using Coated Cemented Carbide tools, including the wear formation of coated cemented carbide, wear reason and wear regulation were studied, and the influence of cutting speed on tool wear were analyzed. The results show that the Coated Cemented Carbide tool wear mainly occurs in the flank face and cut edge, the corner of tool nose worn most seriously, with some pits on there. At the end of tool wear, there are some black dung bonding materials on the flank face. The main reason for wear is abrasive wear, and tool wear fast, the tool life is low. And the increasing of cutting speed on tool wear is very obvious.

carbon fiber reinforced plastics; coated cemented carbide tool; tool wear; cutting speed

1001-2265(2016)10-0032-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.009

2015-12-17；

2016-01-19

尚晓峰(1972—)，男，辽宁海城人，沈阳航空航天大学副教授，博士，研究方向为石油井下工具开发与研究，(E-mail)xfshang@jlshift.com；通讯作者：高石鑫(1989—)，男，沈阳人，沈阳航空航天大学硕士研究生，研究方向为碳纤维复合材料切削技术研究，(E-mail)gsx0511@126.com。

TH142;TG506

A