刀具材料对CFRP齿槽加工质量的影响

苏 飞 袁军堂 汪振华 邓朝晖 孙富建

(1 湖南科技大学智能制造研究院，湘潭 411201) (2 南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

0 引言

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有比强度高、比模量大、可设计性强等优良特性，在航空航天等领域得到了广泛的应用[1-3]。由于CFRP的层间剪切和横向抗拉性能低，在机械加工过程中，碳纤维复合材料制品易产生毛刺、撕裂和层间分层等加工缺陷[4-5]。在碳纤维复合材料铣削加工方面，国内外专家学者做了较多研究。WOLF GANG等[6-7]研究了单向叠层CFRP不同纤维取向下铣削加工缺陷，获得了缺陷的发生区、扩散区和无扩散区，并分析了碳布CFRP在纬向纤维取向为90°时的铣削加工缺陷，指出表层材料以单束纤维毛刺、分层的形式出现，而且，毛刺、分层与经、纬纤维编织结构及纤维的弯曲角度相关；JAMAL等[8]采用多齿刃铣刀对碳布CFRP进行铣削试验，结果表明在高转速、低进给和细小切削厚度下能获得较好的加工质量；KARPAT等[9]使用两种不同的刀具对单向碳纤维复合材料进行铣削试验，研究了不同纤维取向下的切削力及其切削表面加工质量；YASHIRO等[10]采用3种测温法对CFRP的铣削温度进行分析，分析了切削温度对表面加工质量的影响规律，指出CFRP铣削应采用高速切削加工；AKIRA等[11]通过试验分析了立铣刀螺旋角对切削表面的影响规律；周井文等[12]通过铣削实验，分析了铣削加工缺陷的形成机制，指出纤维取向在0°～90°时出现崩边，在90°～180°时出现毛刺。

在碳纤维复合材料零部件的加工中，某些重要的零部件需要切制大量的细小齿槽。在齿槽的切制过程中，同样存在较多缺陷，如最外层纤维出现大面积未被切除的现象、撕裂和分层缺陷等[13]。这些问题严重影响了此类零部件的加工质量和加工效率。目前，在碳纤维复合材料(CFRP)零部件上切制齿槽的相关研究仍鲜有报道。考虑到齿槽加工的实用性、易操作性，提出采用T型铣刀进行齿槽加工试验，对CFRP齿槽加工的切削质量进行研究。

1 试验方案

1.1 工件材料及刀具

实验所用的材料为碳布增强环氧树脂复合材料(T300/环氧树脂)，其纤维直径为7～8 μm，纤维体积分数为60%～65%。试件为120°圆弧棒状工件，外径D=120 mm，内径d=20 mm，厚度h=10 mm，如图1所示。

刀具为直柄钎焊硬质合金(YG6X)刀片和PCD刀片，简称T1和T2铣刀，刀齿的轮廓形状基本为梯形(刀具前角均为0°，后角均为11°，铣刀最大直径均为24 mm，刀柄直径均为180 mm，刀具长度均为73 mm)，刀具实物和齿槽尺寸分别如图2所示。

图1 工件形状

Fig.1 The shape of the part

图2 刀具形状及齿形

1.2 试验方法

分别采用T1和T2铣刀对碳布CFRP进行齿槽加工试验。以切削速度Vc和每齿进给量fz为变量进行单因素试验，切削速度Vc在195～345 m/min之间选取，间距为50 m/min；每齿进给量fz在0.011 3～0.021 2 mm/tooth之间选取，间距为0.003 3 mm/tooth。试验均在KVC1050M立式加工中心上，采用无冷却方式进行对称铣削的齿槽加工试验，试验装置实物和工件装夹如图3所示。

图3 试验装置和工件装夹

1.3 齿槽加工缺陷的评价方法

实践表明，在齿槽加工中出现分层、撕裂和外层纤维未被切除等缺陷，其中齿槽切出侧最外层表面的撕裂缺陷最严重。因此，以撕裂因子Fsl=Sl来表征撕裂的情况(Sl为齿槽切出侧最外层表面的撕裂面积，通过立体显微镜和图片处理软件测得)，见图4。

图4 齿槽撕裂因子

2 结果与分析

2.1 刀具材料对最外层表面加工质量的影响

分别采用T1和T2铣刀对碳布CFRP进行齿槽加工试验，并采用撕裂因子Fsl对齿槽最外层表面的加工质量进行表征，得到撕裂因子随每齿进给量fz和切削速度vc的变化曲线，如图5所示。由图5(a)可知，随着每齿进给量fz的增大，撕裂因子Fsl呈明显的增大趋势。从图5(b)可见，随着切削速度vc的增大，撕裂因子Fsl的变化趋势并不明显。此外，从图5(a)和(b)均可见，T1铣刀的齿槽撕裂因子Fsl要明显高于T2铣刀的。图6(a)和(b)分别是采用T1和T2铣刀对平纹CFRP进行齿槽加工，所获得的齿槽切出侧最外层表面的加工形貌。

(b) Fsl与vc的关系

图6 齿槽最外层表面的加工质量 (vc=295 m/min)

从图6可见，T1铣刀齿槽切出侧最外层表面有较大的撕裂缺陷，其毛刺缺陷较小，且随着每齿进给量fz的增大，撕裂区域明显增大，与T1铣刀相比，T2铣刀齿槽切出侧最外层表面的撕裂缺陷相对较小，但残余纤维较为明显，同时，随着每齿进给量fz的增大，撕裂区域有增大趋势，残余纤维有减少趋势。

2.2 刀具材料对齿槽内侧切削表面微观形貌的影响

图7为T1及T2铣刀齿槽内侧加工表面的微观形貌。由图7(a)、(b)可见，采用T1铣刀铣制齿槽，其槽内侧加工表面存在大面积的树脂涂覆表面，有较明显的“凹坑”，且这些“凹坑”基本出现在经纬交织结构的界面上，随着进给速度的增大，这种“凹坑”有增大趋势。采用T2铣刀铣制齿槽，其槽内侧加工表面基本为树脂涂覆表面，切削表面较平整，没有明显的“凹坑”，而且随着进给速度的增大，其齿槽内侧的切削表面基本维持着这种特征。由此可见，采用T2铣刀铣制齿槽，其加工质量较为稳定，能获得较好的切削效果。

图7 齿槽内侧切削表面微观形貌

3 结论

(1)随着每齿进给量fz的增大，撕裂因子Fsl呈明显的增大趋势，而随着切削速度vc的增大，撕裂因子Fsl的变化趋势不明显；

(2)采用YG6X铣刀铣制齿槽，齿槽切出侧最外层表面有较大的撕裂缺陷，而采用PCD铣刀铣制齿槽，齿槽切出侧最外层表面的撕裂缺陷相对较小；

(3)采用YG6X铣刀铣制的齿槽，其槽内侧切削表面存在较明显的“凹坑”，且随着进给速度的增大，“凹坑”有增大趋势。而采用PCD铣刀铣制的齿槽，其内侧切削表面基本被树脂涂覆，切削表面较平整，没有明显的“凹坑”，且随着进给速度的增大，切削表面质量较为稳定。

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