采用国产铣刀加工碳纤维复合材料的不足与建议

尚武林，朱龙超，龙 浩，张二勇，赵 博，杨 威，董海涛

（连云港神鹰复合材料科技有限公司，江苏连云港 222000）

碳纤维是指碳的质量分数占到90%以上，既有碳素材料的结构特性又有纤维形态特征的一种高性能无机纤维，具有一系列优良性能，广泛应用于航空航天、机械设备、建筑交通、文体医疗等领域，在国防军工及国民经济中有着重要的战略地位。

狭义的碳纤维复合材料是指碳纤维增强树脂基复合材料，碳纤维是增强相，热固或热塑性的树脂基体为连续相。一般的碳纤维复合材料微观结构是一层层碳纤维布（单向或编织）通过高分子的树脂基体粘合到一起。与传统金属材料不同，碳纤维在层内是显著的各向异性，只有平行纤维方向的力学性能、导电导热等性能是优异的，而垂直纤维方向的性能较薄弱。同时，纤维层与层之间仅靠树脂基体粘附，性能也非常薄弱的。碳纤维复合材料层压板架构如图1所示。

图1 碳纤维复合材料层压板

碳纤维复合材料与传统金属材料的加工差异还体现在以下4个方面：（1）碳纤维复合材料的树脂基体软化温度较低，传统环氧树脂基的Tg点一般在200℃以下，树脂耐高温性差，超过额定温度会造成局部树脂烧焦等破坏；（2）碳纤维的模量较高，最低的T300也有230 GPa，较高的沥青基碳纤维模量高达960 GPa，其硬度非常高，对刀具的磨损非常严重；（3）树脂基体的模量较低，一般在几个GPa左右，尤其又在加工产热时存在一定弹性；（4）纤维的方向对加工时的发热及刀具磨损等也有显著影响[1]。

因此，碳纤维复合材料的特点决定了碳纤维复合材料在加工时明显区别于传统金属材料，尤其表现在加工方式、工艺参数、刀具选择[2]等方面。本研究主要针对现有市面上的国产铣刀和进口铣刀进行对比，分析两者的优劣，并对国产铣刀和加工提出一些建议。

1 实验部分

1.1 原料及主要仪器

1.1.1 原料

3K-200 g平纹织物预浸料RC42，SYT45-3K碳纤维，中温固化环氧树脂基体；单向预浸料FAW-200RC36，SYT49-12K碳纤维，中温固化环氧树脂基体。

铣刀：德国进口铣刀（表面有金刚石涂层）、国产铣刀（表面没有金刚石涂层），刃径都是2 mm，如图2所示。

图2 铣刀

1.1.2 主要设备

CP1318型CNC雕刻机（昆山洛凯精密机械电器有限公司，主轴最大转速18 000 r/min），水冷系统。

1.2 碳纤维增强环氧树脂基复合材料层压板的制备

层压板采用的铺层结构是3K平纹/C90/C0/C90/C0/C90/C0/C90/3K平纹，中间UD预浸布采取对称铺层以保证碳板微观受力均衡性而不容易翘曲。表面层采用3K平纹主要是为了起到加工时防止撕裂的作用。层压板采用模压工艺成型，成型模具如图3所示。成型工艺参数是130℃～135℃，时间60 min，压力1.0 MPa。最终制得的层压板外形尺寸约为800 mm×580 mm×1.8mm，尺寸误差不超过±0.1 mm。

图3 成型模具示意图

1.3 碳纤维增强环氧树脂复合材料层压板的加工对比

采用相同的加工参数，主轴转速15 000 r/min，进给速度100 mm/min，下刀速度50 mm/min，下切步距2 mm，在水冷条件下对碳纤维层压板进行同等条件下加工，碳纤维层压板的加工轨迹如图4所示。加工顺序是从左往右依次进行加工，左侧长条孔周长是1 520 mm，右侧长条孔周长是1 540 mm，分别代表两种长条孔加工时的路径长度。

图4 碳纤维层压板加工轨迹

加工后的碳纤维层压板效果和数据如图5及表1所示。国产铣刀加工出来的碳板长条孔边缘有较多毛刺现象，加工到6 080 mm时毛刺量非常明显；而进口铣刀全程加工几乎没有毛刺产生，孔边缘非常整齐。按GB/T 1804—2000通过公差标准f级（精密级）的要求，国产铣刀加工长度不足1 520 mm，当加工长度超过3 080 mm，m级（中等级）加工精度也不能保证且尺寸变化非常快；而进口铣刀加工精度满足f级（精密级）的要求，加工长度可以达到22 980 mm以上，是国产铣刀使用寿命的15倍以上且尺寸变化非常缓慢。

图5 碳纤维层压板加工后效果

表1 碳纤维层压板雕刻尺寸及毛刺情况对比

2 结果与讨论

由于碳纤维复合材料的造价相比传统金属材料要高出很多，一般主要应用在高端领域，比如无人机上就大量使用CNC加工碳板。由于产品的应用特点，对尺寸精度要求都比较高，一般公差至少是m级（中等级）。尺寸加工精度和孔周围毛刺量是判定碳纤维层压板加工质量和经济性的主要指标，前者决定了加工后的碳纤维层压板是否能用，一旦加工错误，涉及到二次装夹误差等就很难进行返工，只能做报废处理；后者决定了碳纤维层压板的加工经济性，假如毛刺量大，后期要花数倍于加工的成本去处理毛刺，经济性较差，尺寸精度也难以保证。

杨小璠等人[3]研究了不同铣刀造型对加工质量的影响，同为菱齿型的立铣刀，镀金刚石涂层能显著减缓刀具磨损和提高表面加工质量。本研究进一步验证了金刚石涂层对加工碳纤维复合材料刀具的重要性，对提高刀具的使用寿命和加工经济性意义非常重大。本研究实验用进口铣刀的价格大概是国产铣刀的10倍，但是考虑到使用寿命以及后期节省的处理成本，采用进口铣刀相对国产铣刀仍具有较大的经济性优势。

对比进口铣刀和国产铣刀的刃型结构可见，进口铣刀类似在传统右旋刃立铣刀的刃上又增加了菱齿，明显增加了切削刃数，可以显著降低切削力[3]；同时，螺旋的沟槽设计可以快速地排出切削屑，对减少切削屑对刀具的损伤以及摩擦产热有一定意义，从而可以进一步提高刀具的使用寿命。

3 结语

本研究简述了碳纤维增强环氧树脂基复合材料层压板的特点，并对层压板的制作、加工过程及现象进行阐述，重点从加工尺寸和加工毛刺量两个方面对国产铣刀和进口铣刀进行了量化对比，简要分析了造成两种铣刀差异的原因，希望能在一定程度上给国内碳纤维复合材料的加工起到一定借鉴作用。同时，获得以下观点和建议：

（1）从加工碳纤维层压板的全生命周期看，表面镀金刚石涂层的铣刀虽然一次性购入成本较高，但是加工效率更高，整体经济性更好，加工质量更稳定。

（2）建议国产铣刀生产厂家，应该加大对碳纤维复合材料加工特点的理论和工程化研究，有针对性地开发出高品质碳纤维复材加工刀具，以改变进口铣刀高价格、长交货周期的现状。

（3）建议碳纤维复合材料加工应用厂家在碳纤维复合材料加工工艺参数设置、刀具选型等方面要打破对传统金属材料加工的固有认识，充分了解碳纤维复合材料的材质特点和加工差异性，更好地提高碳纤维复材的加工质量和加工效率。