新型铣刀铣削碳纤维复合材料毛刺抑制机理

杨小璠　黄宗明　李友生　李凌祥　沈志煌

摘要：针对碳纤维复合材料铣削时易产生毛刺等加工缺陷的问题，分析了新型铣刀抑制毛刺产生的切削机理。选用未涂层的普通立铣刀、交错刃立铣刀、菱齿型立铣刀以及金刚石涂层的菱齿型立铣刀，在相同切削条件下对碳纤维复合材料进行侧铣试验。通过对加工表面质量、刀具磨损以及刀具寿命的对比分析得出：交错刃立铣刀和菱齿型立铣刀能有效抑制工件表面毛刺的产生；由于菱齿型立铣刀参与切削的刃数比交错刃立铣刀多，抑制铣削毛刺产生的能力最好；金刚石涂层菱齿型立铣刀的使用寿命最长，其后刀面磨损缓慢，适合碳纤维复合材料的铣削加工。

关键词：

碳纤维复合材料；交错刃立铣刀；菱齿型立铣刀；加工表面质量；刀具磨损

DOI：1015938/jjhust201805006

中图分类号： TG501

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）05-0030-05

The Mechanism of Burr Inhibition for Milling CFRP with New Type of Milling Tools

YANG Xiaofan1，HUANG Zongming2，LI Yousheng2，LI Lingxiang2，SHEN Zhihuang1

（1.School of Mechanical and Energy Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，China；

2.Xiamen Golden Egret Special Alloy Co， Ltd， Xiamen 361006， China）

Abstract：Concerning the machining defects such as burrs while milling Carbon Fiberreinforced Plastics（CFRP） with ordinary cutters，the cutting mechanism of the newtype end mills for suppressing the burrs generation in milling CFRP was analyzed Uncoated ordinary end mill， crossflute router， finecrossnick router and diamond coated finecrossnick router are selected to process the CFRP under the same cutting conditions The comparative analysis results of the surface quality， tool wear and tool life show that the crossflute router and finecrossnick router can effectively suppress the burrs occurrence of the workpiece surface The number of cutting edges the finecrossnick router involved are more than the crossflute router， so its ability of suppressing burrs is best And the effect of suppressing burrs of righthand end mill is worst The diamond coated finecrossnick router has the longest tool life and is most suitable for milling CFRP

Keywords：carbon fiberreinforced plastics（CFRP）；crossflute router；finecrossnick router；machining surface quality；tool wear

0引言

碳纖维复合材料（CFRP）具有轻质、高强度、高刚度、抗疲劳、耐热和耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、体育用品等领域得到了广泛应用，成为高性能复合材料的代表[1]。由于CFRP具有非均质及各向异性的特点，层间剪切强度低而碳纤维硬度高，在铣削过程中容易产生毛刺、纤维撕裂、分层等加工缺陷[2]。随着应用领域对CFRP加工装配要求的不断提高，普通刀型的立铣刀很难满足CFRP优质高效的加工要求，开发新型CFRP专用铣刀成为当前急需解决的问题[3-4]。CVD金刚石涂层具有高硬度、低摩擦系数、可在复杂形状刀具上进行沉积等优点，是制作CFRP专用刀具的理想刀具涂层材料[5-7]。

多年来，国内外诸多学者为提高CFRP的加工质量展开了多方面的研究。Schulz等通过试验发现刀具刃口半径的变化会影响CFRP加工过程中碳纤维的断裂形式，从而影响毛刺等缺陷的形成[8]。Hintze等在CFRP的铣槽实验中发现加工缺陷与纤维方向角有关，90°纤维方向角易发生分层缺陷， 135°纤维方向角易在工件表面产生毛刺[9]。林有希等采用涂层（TiCN， TiA1N）与无涂层超细晶粒硬质合金立铣刀对CFRP进行高速铣削试验，研究切削力、毛刺随刀具磨损的变化趋势[10]。周井文等采用金刚石涂层硬质合金铣刀对不同纤维方向的CFRP进行了顺铣加工试验，分析了每转进给量和纤维方向对工件加工表面质量的影响[11]。目前国内针对CFRP加工专用新型铣刀的切削性能以及刀具磨损失效方面的研究较少[12-13]。

本文提出了可抑制CFRP铣削毛刺产生的新型刀具结构，并分析了新型立铣刀切削CFRP时抑制毛刺产生的加工原理。选用未涂层的普通右旋立铣刀、新型交错刃立铣刀以及菱齿型立铣刀，对CFRP进行侧铣加工试验。在相同切削条件下，通过对工件加工表面质量、刀具寿命以及刀具磨损形貌的对比分析，研究了不同刀型结构对CFRP铣削毛刺的抑制能力；同时选用金刚石涂层菱齿型立铣刀对CFRP进行侧铣加工，测试刀具寿命，以期为CFRP的铣削加工选择合适的刀具提供依据。

1新型刀具结构抑制碳纤维复合材料铣削毛刺的切削加工原理

图1所示为普通立铣刀铣削CFRP的示意图。

普通右旋立铣刀在铣削过程中，右旋向的切削刃使得工件上、下表面的纤维层均受到斜向上切削力的作用，因此加工后工件的上表面易出现毛刺、撕裂，甚至是分层现象。反之左旋立铣刀铣削时加工缺陷易出现于下表面。

图2所示为新型立铣刀铣削CFRP示意图。交错刃立铣刀将圆周切削刃分为上下两个部分，采用近柄部刃左旋，近端部刃右旋的结构。加工时应使左右螺旋切削刃的交汇处始终保持在复合材料板厚的中间位置。由于左、右螺旋刃分别作用于工件的上、下表面，切削合力始终指向工件材料的中心，切削过程平稳，纤维层容易完全被切断，从而抑制了工件上、下表面毛刺等加工缺陷的产生[14]。菱齿型立铣刀圆周上的菱形切削单元是通过在右旋切削刃上沿左旋向交错开槽磨削形成的，每个菱形切削单元上同时有右旋刃和左旋刃，但是左、右旋切削刃的螺旋角大小不一样，如图3所示。在较高切削速度的作用下，左、右螺旋切削刃同时作用于纤维层材料，形成的剪切合力类似于剪刀原理，可将纤维层轻易剪断，有效抑制工件表面毛刺、撕裂等加工缺陷的产生，提高加工质量[15]。

2试验条件

试验材料选用厚度为5mm的T700碳纤维/树脂基复合材料层压板，层铺方式为[0°/90°/±45°]，碳纤维的体积百分比为（65±5）%。试验刀具结构如图4所示。

切削试验在福裕立式加工中心QP2033L上进行，刀柄型号BT40KMC32105，刀具参数如表1所示，加工条件如表2所示。当刀具后刀面磨损量达到01mm即停止切削试验。试验中选用Keyence光学显微镜（型号：VHX100）观察工件表面质量、刀具后刀面的磨损形貌及磨损量测量。

3试验结果与分析

31刀具后刀面磨损量对比

图5为3种刀型的立铣刀侧铣碳纤维复合材料时刀具后刀面磨损曲线图。从图中可以看出，随着切削距离的增加，无涂层立铣刀的后刀面磨损量增加都比较快，无明显的正常磨损阶段；金刚石涂层立铣刀的磨损曲线则存在着明显的正常磨损阶段和急剧磨损阶段。当刀具后刀面磨损量达到01mm时，普通立铣刀切削距离仅为5m，交错刃立铣刀切削距离为7m，菱齿立铣刀的切削距离约为11m。金刚石涂层菱齿立铣刀的切削距离约为60m，其刀具磨损最慢，刀具使用寿命最长。

32工件表面质量对比分析

图6所示分别为相同的加工条件下，不同立铣刀侧铣碳纤维复合材料的工件表面质量照片。圖6（a）为普通右旋立铣刀侧铣1m后工件的表面质量照片，从图中可以观察到，工件上表面已出现轻微毛刺现象，下表面加工质量良好；继续铣削加工至5m时，工件上表面出现了严重的毛刺现象，如图6（b）所示，表面质量已经无法满足加工要求，普通立铣刀抑制CFRP起毛刺的能力最差。图6（c）所示为交错刃立铣刀侧铣碳纤维复合材料7m后工件的表面质量照片，工件上、下表面均无明显的毛刺出现，加工质量良好，仍然可以满足加工要求。由于交错刃立铣刀的设计原理可以有效抑制复合材料上、下表面毛刺、撕裂等缺陷的发生，虽然此时刀具后刀面磨损量已达到01mm，但还可继续使用。图6（d）所示为菱齿型立铣刀侧铣碳纤维复合材料11m后工件的表面质量照片，工件上、下表面加工质量良好，无明显毛刺现象，可以满足加工要求。由于菱齿型立铣刀在铣削过程中参与切削的刃数比交错刃立铣刀多，从而显著降低了刃口上的单位切削力，刀具磨损更缓慢。图6（e）所示为金刚石涂层菱齿型立铣刀侧铣碳纤维复合材料60m后工件的表面质量照片，工件表面质量仍处于良好状态，无明显毛刺现象，可以满足加工要求。

33刀刃磨损对比分析

图7为切削距离5m时普通右旋立铣刀的后刀面磨损形貌，图8为切削距离7m时交错刃立铣刀的后刀面磨损形貌，图9为切削距离11m时菱齿立铣刀的后刀面磨损形貌。

由图可以观察到：普通立铣刀的后刀面磨损较均匀，交错刃立铣刀的右旋刃和左旋刃磨损相对较均匀；菱齿型立铣刀的右旋刃磨损较左旋刃更严重，这与其左、右旋切削刃的螺旋角大小不等有关，左旋刃由于螺旋角较大，与工件接触长度较短，因此刀具磨损区域较小。普通立铣刀磨损最快，这主要是由于普通立铣刀在结构上抑制碳纤维铣削毛刺的能力较差，切削加工不久后工件表面即出现毛刺，继续切削时，工件毛刺会引起刀具振动，加快刀具磨损；交错刃立铣刀和菱齿型立铣刀抑制碳纤维铣削毛刺的能力较强，由于菱齿立铣刀参与切削的刀刃数更多，故刀具使用寿命更长。

图10所示为金刚石涂层菱齿型立铣刀的后刀面磨损形貌图。由于碳纤维复合材料是一种典型的难加工材料，使用未涂层刀具进行切削加工时刀具急剧磨损，刀具寿命较低。金刚石涂层的硬度非常高，配合菱齿型立铣刀的刀型结构可显著减缓刀具磨损，延长刀具使用寿命。从图中可以看出，菱齿型立铣刀在切削距离为40m时，刀具右旋刃和左旋刃上的金刚石涂层均出现了磨损，其中右旋刃的磨损程度比左旋刃严重，但此时后刀面磨损区的金刚石涂层仍然存在，发挥着保护硬质合金基体的作用。在切削距离达到60m时，观察到菱齿型立铣刀的右旋刃出现涂层剥落，露出了硬质合金基体。这主要是由于切削过程中，刀具后刀面涂层磨损区内的高硬度碳纤维切屑颗粒持续摩擦金刚石涂层，随着切削距离不断增加，金刚石涂层的厚度越来越薄，最终出现了涂层剥落，此时加工表面质量虽然仍可满足要求，但刀具已进入急剧磨损阶段，磨损速度加快。

4结论

本文针对碳纤维复合材料（CFRP）进行铣削实验，从而研究不同刀型与该工件材料加工质量的匹配性。获得结论如下：

1）普通立铣刀侧铣CFRP时，指向工件表面的切削力容易导致毛刺等加工缺陷产生；新型的交错刃立铣刀和菱齿型立铣刀在结构上都设计有左、右螺旋切削刃，侧铣时刀具的左旋刃和右旋刃同时参与切削，切削合力指向工件内部而非表面，能够有效地抑制工件表面毛刺的产生。

2）菱齿型立铣刀在铣削过程中参与切削的刀刃数比交错刃立铣刀多，可以显著降低单位切削力，刀具磨损更缓慢，抑制CFRP铣削毛刺的能力最好。

3）CVD金刚石涂层具有优异的耐磨性，配合菱齿型立铣刀的刀型结构可显著减缓刀具磨损，提高加工表面质量，适合碳纤维复合材料的铣削加工。

参 考 文 献：

[1]苏飞碳纤维增强复合材料切削加工技术及其应用研究[D].南京：南京理工大学，2015：17-23.

[2]陈涛，苗光，李素燕 碳纤维复合材料切削加工技术研究进展[J].哈爾滨理工大学学报， 2016，21（2）：71-76

[3]何耿煌，李凌祥，程程，等.工件材料可切削性对可转位硬质合金刀具加工经济性影响规律研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2017，37（6）：62-69.

[4]陈燕，葛恩德，傅玉灿，等碳纤维增强树脂基复合材料制孔技术研究现状与展望[J].复合材料学报，2015，32（2）：301-316

[5]何耿煌，李凌祥，邹伶俐，等.亚微观倒棱切削刃对硬质合金刀片切削性能的影响特性研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2017，37（3）：46-54.

[6]KARPAT Y， DEGER B， BAHTIYAR O Experimental Evaluation of Polycrystalline Diamond Tool Geometries While Drilling Carbon Fiberreinforced Plastics[J]. International Journal of Advanced Manufacuring Technology， 2014， 71（8）：1295-1307

[7]邓福铭，陈立，邓雯丽，等微/纳米金刚石复合涂层刀具的制备及切削试验[J]. 人工晶体学报，2015， 44（10）：2728-2733

[8]SCHULZE V， BECKE C，PABST R Specific Machining Forces and Resultant Force Vectors for Machining of Reinforced Plastics [J].CIRP AnnalsManufacturing Technology， 2011，60（1）：69-72

[9]HINTZE W，HARTMANN D，CHRISTOPH S Oceurrenee and Propagation of Delamination During the Machining of Carbon Fibre Reilfforced Plastics（ CFRPs ） An Experimental Study[J]. Composites Science and Technology，2011，71： 1719 -1726

[10]林有希，禹杰，林华 碳纤维/树脂基复合材料高速铣削的刀具磨损机理[J]. 中国表面工程，2016，29（5）： 138-145

[11]周井文，陈燕，傅玉灿，等进给速度对不同纤维方向CFRP铣削表面形貌的影响[J]. 复合材料学报，2015， 32（2）： 370-377.

[12]钱宝伟，刘巍，贾振元，等双顶角钻头钻削CFRP复合材料的刀具磨损机制[J]. 复合材料学报，2017， 34（4）： 749-757

[13]徐银超，陈浩，曾滔，等切削参数对碳纤维复合材料制孔质量的影响[J]. 硬质合金，2016，33（5）：336-341

[14]杨小璠，鄢国洪，李友生，等新型交错刃硬质合金立铣刀铣削碳纤维复合材料的研究[J]. 稀有金属与硬质合金，2015， 43（4）：67-71

[15]鄢国洪不同涂层的硬质合金菱齿立铣刀铣削CFRP的性能研究[J]. 工具技术，2015， 49（10）：32-35

（编辑：王萍）