碳纤维增强复合材料铣削加工中PCD刀具磨损研究

苏 飞 ，孙富建

（1.湖南科技大学机电工程学院难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室，湖南湘潭411201；2.湖南科技大学，智能制造研究院，湖南湘潭411201）

0 引言

碳纤维增强复合材料（CFRP）具有比强度高、比模量大等优异性能，在航空航天等领域具有广阔的应用前景，已逐步成为新型飞行器的首选结构材料[1-3]。

由于CFRP具有硬度高、导热性差、各向异性等特点，在切削加工过程中除易产生各种加工缺陷外，碳纤维作为硬质点连续磨耗刀具，致使刀具极易被磨损[2-3]，进而直接影响CFRP构件的加工质量和加工效率。通常，选择合适的刀具材料对刀具耐磨性的提高至关重要。目前，对于CFRP切削加工常采用超硬刀具材料，其中，聚晶金刚石（PCD）对于CFRP切削加工具有较好的加工性能[4]。Ferreira[4]等采用硬质合金、陶瓷、PCBN、PCD刀具对CFRP进行了车削试验研究，分析了不同刀具材料的切削性能，得出PCD刀具是加工复合材料的最佳刀具；Kyung[5，6]等对比分析了采用PCD钻头和硬质合金钻头钻削纤维增强叠层复合材料，试验都表明PCD钻头在耐磨性上具有明显的优越性。然而，对于PCD刀具在CFRP切削过程中的磨损机理、形态及其对加工质量的影响研究还不够彻底。

基于以上研究现状，本文采用焊接PCD刀片立铣刀对平纹织物CFRP进行铣削试验，分析其磨损状态和磨损机理，以及刀具磨损对CFRP铣削加工的影响。

1 试验方案

1.1 试验条件

试件材料为板状平纹织物碳纤维布叠层复合材料（T300/环氧树脂，CFRP），基体为热固性环氧树脂，厚度为 10 mm，纤维直径 7～8μm，纤维体积含量60%～65%，试件是 110 mm×120 mm×10 mm的板料。试验采用直径为6 mm钎焊PCD刀片的2直齿立铣刀。

试验在KVC1050M立式加工中心上采用无冷却方式进行铣盲槽试验，所选用的切削速度（Vc）、进给量（f）和切削深度（ap）分别为 86 mm/min、0.1 mm/r和3 mm，每次走刀均为 100 mm，每走刀5次对刀具的后刀面和工件切削区上表面的缺陷进行一次观测，当工件切削区上表面的缺陷出现明显增大时终止试验。试验装置实物、铣削方式和槽内各部位名称以及切削力测试系统分别如图1所示。

图1 实验装置和铣削力测试系统

1.2 加工质量和刀具磨损评价方法

1.2.1 加工质量评价方法

由于切削区槽两侧上表面的分层和纤维破坏情况便于观测，因此，以切削区槽两侧上表面分层和纤维破坏的情况作为衡量缺陷大小的因子，简称分层因子Fs，以此来表征制品表面的加工质量[7，8]，分层因子Fs如式（1）所示，图2为分层因子示意图。

Wmax为槽两侧被破坏的最大宽度；W为槽的加工宽度。Wmax通过立体显微镜和图片处理软件测得。

图2 分层因子[7]

1.2.2 刀具磨损评价方法

刀具磨损主要以后刀面的磨损最为严重，后刀面的磨损直接影响刀具的使用寿命和工件的加工质量，因此，试验主要以主切削刃后刀面的平均磨损带宽度（VB值，单位mm）来衡量刀具的磨损状况。

2 试验分析

2.1 刀具磨损对切削力和加工质量的影响

对立铣刀主切削刃后刀面的磨损进行观测，发现随着铣削行程（L）的增大，刀具的VB值不断增大。

从图3（a）中可见，PCD刀具的VB值增大较为平缓。图中与A2段相比，A1段较为平缓，认为A1段和A2段分别为刀具的正常磨损阶段和急剧磨损阶段。从图3（b）可见，在PCD刀具的正常磨损阶段，分层因子Fs增大较平缓，在PCD刀具急剧磨损阶段，分层因子Fs呈急剧增大。从图3（c）可见，PCD刀具进给方向的铣削力（Fx）和垂直进给方向的铣削力（Fy）亦呈增大趋势。

图 3 VB、Fs、Fx、Fy与 L 之间的相互关系

2.2 刀具磨损形态及其机理分析

PCD立铣刀主要存在成块剥落破损、磨粒磨损和树脂粘附等磨损形态，其中成块剥落破损最为明显，如图4所示。

图4 PCD立铣刀的磨损形貌(L=9 m)

PCD属于硬脆性材料，切削过程中刀具承受持续的交变冲击载荷和热作用，使PCD刀具产生机械疲劳和热疲劳，导致PCD表层材料的粘结晶粒之间产生裂纹，金刚石颗粒之间的连接状态恶化，晶界强度降低，金刚石突出颗粒（群）容易从刀体上脱落，当晶粒脱落形成凹坑或黏接剂被刮除使晶粒凸出时，其周围刀具材料容易发生集体脱落[9]，致使刀具抗冲击能力下降，最终导致PCD刀具出现PCD材料成块剥落的脆性破损。PCD刀具刃尖处的切削环境最为恶劣，因此，刃尖处最容易出现成块剥落的脆性破损，刃尖处前刀面和后刀面的破损面积基本相同，其次，PCD刀具主切削刃的前刀面也容易出现微破损，但这种破损在主切削刃的后刀面和副切削刃上并不显著，如图4（a）所示。碳纤维作为硬质点不断的对刀具的后刀面产生“研磨”，黏接剂被刮除，金刚石颗粒突出或脱落，使刀具出现磨粒磨损，因此，刀具磨损表面出现较多凹坑和突出颗粒，如图4（c）所示（图4（b）为PCD刀具表面的初始形貌，图4（c）为PCD刀具后刀面磨损后的形貌，磨损后的表面比初始前的表面更为光洁，但存在较多凹坑和突出颗粒）。磨粒磨损以主切削刃的后刀面最为突出，与硬质合金刀具相比，由于PCD刀具硬度极高，因此，在PCD刀具后刀面上没有明显的“碾压”现象。刀具的磨粒磨损导致刀具刃尖半径不断增大，槽切削区上表面将出现较明显的纤维毛刺。树脂粘附主要出现在刃尖处的后刀面上，且粘附区基本接近刀刃处。PCD刀具的树脂粘附面积较小（见图4（d）），但刀刃处的树脂粘附将导致切削区的环境进一步恶化，因此，采用PCD刀具切削碳纤维增强复合材料时，树脂粘附也是不可忽视的磨损形式之一。

2.3 切削区上表面缺陷、槽壁微观形貌和排屑分析

2.3.1 刀具磨损对切削区上表面缺陷的影响

随着铣削的进行，立铣刀的主切削刃磨损最为严重，因此，主要对主切削刃的切削区进行分析。对刀具磨损前、后槽前端和槽两侧上表面进行观测，发现随着刀具的磨损切削区上表面出现明显的纤维毛刺，切削质量明显下降，且随着刀具的不断磨损，毛刺都呈不断增多趋势。采用PCD刀具铣削碳纤维增强复合材料，在刀具磨损初期，槽前端和槽两侧除少数较小的毛刺和分层外，整体较为光洁，当切削行程达到4.6 m时，切削区上表面出现较明显的纤维毛刺。图5（a）和（b）分别是铣削行程达到0.5 m和9.0 m时切削区上表面的切削形貌。

图5 刀具磨损对加工质量的影响

2.3.2 刀具磨损对槽壁切削表面的影响

对刀具磨损前、后槽前端槽壁的切削表面进行SEM分析，图5（c）和（d）分别为铣削行程达到0.5m和9.0 m时切削表面的形貌。采用PCD刀具切削碳纤维增强复合材料，在刀具磨损初期，树脂涂覆面积较大，纤维断口较为平齐，切削表面光洁平整，也存在少部分由于受纤维切削机理限制所引起的“凹坑”。刀具磨损后，树脂涂覆面积明显下降，切削表面的光洁程度和切削表面的平整程度也有所下降，树脂和碳纤维都受到一定程度的破损。可见，采用PCD刀具切削碳纤维增强复合材料，其切削表面质量较为稳定。

3 结论

（1）随着铣削行程（L）的增大，刀具的VB值不断增大，正常磨损阶段，分层因子Fs增大较平缓，在PCD刀具急剧磨损阶段，分层因子Fs呈急剧增大；

（2）PCD立铣刀主要存在树脂粘附、磨粒磨损和成块剥落破损等磨损形态，其中成块剥落破损最为明显；

（3）PCD立铣刀的切削行程达到4.6 m时，PCD刀具切削的槽切削区上表面才出现较明显的纤维毛刺。