铣削玻璃纤维/碳纤维芳纶纸蜂窝板实验研究* ＊

于东民 刘菊东 叶衔真 杨小璠 晋家伟

(①集美大学机械与能源工程学院，福建 厦门361021;②集美大学工程训练中心，福建 厦门361021)

碳纤维蜂窝板是一种特殊的高强轻质复合材料。由较薄的碳纤维复合材料为上、下面板，厚而轻的蜂窝结构为芯子，组成夹层结构，具有比强度高、比刚度高、隔热隔振、耐冲击等优点，是现代卫星、飞行器结构的主要承力结构［1-2］，目前已扩展到列车、船舶、建筑装修等各领域，但由于碳纤维具有一定的导电性，故常在碳纤维上铺一层绝缘的玻璃纤维。现阶段蜂窝板的研究已成为一个热点问题，但对于碳纤维蜂窝板的切削加工却研究甚少。碳纤维和玻璃纤维复合材料均属于难加工材料，切削加工过程中容易产生分层、撕裂、毛刺、拉丝等缺陷，且刀具磨损严重［3-5］;蜂窝芯为薄壁结构，切断性能差，加工过程中易坍塌破损［6］。因此，对于碳纤维蜂窝板的切削加工问题亟待研究。本文以铣削玻璃纤维/碳纤维芳纶纸蜂窝板试验为基础，研究了3 种不同刀具和不同铣削宽度对刀具磨损和工件加工质量的影响，并选出适合加工玻璃纤维/碳纤维芳纶纸蜂窝板的刀具。

1 试验条件与方法

试验材料采用玻璃纤维/碳纤维芳纶纸蜂窝板，尺寸为:320 mm ×320 mm ×7.5 mm(长×宽×高)。其面板为玻璃纤维/碳纤维层压板，板厚1.1 mm，共5层，最外层为网状玻璃纤维，另4 层为TR50 碳纤维，铺层方向分别为90°/0°/90°/0°，中间夹层是正六边形的芳纶纸蜂窝。试验刀具采用硬质合金铣刀、人字形CVD(chemical vapor deposition，化学气相沉积法)金刚石薄膜涂层铣刀和菱齿CVD 金刚石薄膜涂层铣刀，如图1 所示;刀具详细参数见表1。

铣削试验在TJ -700 型数控铣床上进行，侧边铣玻璃纤维/碳纤维芳纶纸蜂窝板，铣削条件:主轴转速n=6 500 r/min，工件进给速度vf=200 mm/min，铣削宽度ae分别为1、2、3、4 mm，采取顺逆组合方式，往复铣削4 m。每组铣削完，观察试件加工质量，用数码相机记录切削情况，用keyence VK-X100 超景深三维显微镜观察刀具后刀面磨损形貌并测量磨损量VB 值。为了保证实验结果的准确性，选择多刃磨损量的平均值作为VB 值。

表1 试验刀具参数

2 试验结果与分析

2.1 刀具磨损

图2 为铣削试验中3 种不同刀具随铣削宽度变化的后刀面磨损曲线图。如图所示:3 种刀具的后刀面磨损量VB 都随着铣削宽度的增加而增大。其中，硬质合金铣刀后刀面磨损量VB 最大，人字形和菱齿CVD 金刚石薄膜涂层铣刀的磨损量则相对较小，且磨损量相近，从整体来看人字形涂层铣刀磨损量略小。

图3 为3 种刀具在n =6 500 r/min，vf=200 mm/min，ae=3 mm 条件下铣削的后刀面磨损形貌，3 组图片都是在keyence VK -X100 超景深三维显微镜下拍摄。对比发现:硬质合金铣刀后刀面的磨损区域大(VB=74 μm)，刀刃磨损严重，刀刃边界发暗发虚，刀刃钝圆变大;人字形和菱齿CVD 金刚石薄膜涂层铣刀后刀面磨损区域相对较小(VB 分别为47、49 μm)，刀刃边缘处金刚石涂层被磨穿，露出银白色基体，在基体与未磨金刚石涂层间有一狭长过渡区，金刚石涂层并未脱落，被磨得更为光滑，刀刃边界也较硬质合金铣刀更为清晰，磨损程度小。

造成以上实验现象的主要原因是:(1)在铣削宽度小于刀具半径时，随着铣削宽度的增加，最大铣削厚度随之增加，切削层的平均切削面积相应增大，单位时间内刀具的磨粒磨损更加严重，从而导致刀具磨损也随之增加。(2)作为面板的玻璃纤维/碳纤维层压板是一种多相固体材料，硬度高，导热性差。切削过程中，脆硬的碳纤维发生弹性恢复，摩擦、挤压后刀面，并在高温条件下不断对后刀面进行“微切削”，导致硬质合金铣刀磨损严重。而CVD 金刚石薄膜涂层刀具通过化学气相法在硬质合金基体上沉积了一层金刚石薄膜，该涂层具有硬度高(高达HV8000)、耐磨、摩擦系数小、导热性强等特点，进而大大提高了刀具的硬度和耐磨性，减小了加工过程中的摩擦力和切削热，从而减小刀具磨损。即便部分涂层脱落，后刀面涂层仍起到支撑作用，减缓刀刃磨损，故而涂层刀具的后刀面磨损量要远小于硬质合金刀具。(3)由表1 刀具几何参数可知，人字形涂层铣刀的前角和螺旋角均略大于菱齿涂层铣刀，较大的螺旋角可增大实际前角，而适当地增大前角可以减小切削力、切削热和功率，在一定程度上减缓硬质点的磨粒磨损，使得人字形CVD 金刚石薄膜涂层铣刀的后刀面磨损量要略小于菱齿CVD 金刚石薄膜涂层铣刀。

2.2 刀具对加工质量的影响

2.2.1 面板加工质量

图4、5、6 分别为3 种刀具在n =6 500 r/min，vf=200 mm/min，ae=2 mm 条件下铣削的蜂窝板形貌。观察发现:图4 上面板最外层有大量长而密的玻璃纤维向上扬起，形成不规则毛刺，平均长度约7.1 mm，下面板上侧也有一簇簇密集的黑色碳纤维毛刺;图5 上、下面板最外层的玻璃纤维毛刺均短而稀疏，平均长度约1.8 mm，同时，下面板上侧有少许黑色短碳纤维毛刺;图6 上、下面板的碳纤维毛刺几乎没有，而下面板下侧的玻璃纤维毛刺要长于上面板上侧，但毛刺的长度和密集度都明显较小，平均长度约2.7 mm。因此，在铣削玻璃纤维/碳纤维芳纶纸蜂窝板试验中，3 种刀具的加工质量相差甚大，硬质合金铣刀的切削效果最差，蜂窝板上的玻璃纤维和碳纤维毛刺长而密;人字形和菱齿CVD 金刚石薄膜涂层铣刀的切削效果较好，玻璃纤维和碳纤维的切断率高，前者玻璃纤维的切削效果最好，后者碳纤维的切削效果最佳。

2.2.2 芳纶纸蜂窝芯加工质量

对比观察图4、5、6 发现:硬质合金铣刀铣削蜂窝板时，芳纶纸蜂窝芯条并未切断，而是被刀刃挤向板内侧，芯条普遍较长;人字形和菱齿CVD 金刚石薄膜涂层铣刀铣削蜂窝板时，芯条仍未完全切断，但芯条却相对变短，尤其是图6 中的芳纶纸蜂窝芯条，短而整齐。由此可见，3 种刀具均未能在n =6 500 r/min，vf=200 mm/min，ae=2 mm 的条件下将芯条完全切断，但菱齿CVD 金刚石涂层铣刀在三者中切削效果最好，芯条长度最短，蜂窝结构也未被破坏。

2.2.3 刀具对加工质量影响的分析

碳纤维和玻璃纤维复合材料均属于难加工材料，在机械加工过程中易产生抽丝、毛刺、撕裂、分层等等缺陷，纤维切断性差，而芳纶纸蜂窝芯为薄壁结构，属于柔性高分子材料，低刚度、韧性强，当受切削力作用时芯条会产生弯曲，使得无法从根部有效切断［7］。因此，加工该种材料时，刀具的锋利性是关键影响因素之一。

刀具锋利性受刀具几何角度、安装与运动以及实际加工过程、刀具磨损等因素的影响［8］。由表1 所示的刀具几何参数可知，人字形和菱齿CVD 金刚石薄膜涂层铣刀的前角均大于硬质合金铣刀，刀具更加锋利。此外，随着加工的进行，刀具磨损严重，切削刃钝圆半径不断增大，刀刃也将随之变钝。由于硬质合金铣刀的磨损速度要远远大于两涂层刀具，故而其变钝速度也要远远大于两涂层铣刀。因此，从刀具锋利角度看，硬质合金铣刀的切削效果最差，玻璃纤维和碳纤维毛刺长而密，蜂窝芯芯条也较长，而人字形和菱齿CVD金刚石薄膜涂层铣刀的切削效果较好，玻璃纤维、碳纤维和蜂窝芯芯条的切断率高，其中，菱齿CVD 金刚石薄膜涂层铣刀前角最大，且为不连续的菱齿刃，在高速铣削中，更易将较质软的薄壁结构切碎，故而对蜂窝结构切削效果最好。

另一方面，刃形是该试验毛刺的关键影响因素之一。硬质合金铣刀为右螺旋铣刀，在铣削过程中，受力如图7a 所示，上、下面板的上侧纤维在力F 作用下向上拔起，使得最外侧纤维被拉出而不是剪断，形成拉丝、毛刺，且切屑沿着容屑槽向柄部排出，在未切断玻璃纤维表面堆积，导致面板上表面加工质量差。人字形CVD 金刚石薄膜涂层铣刀铣削时，上、下面板最外侧的玻璃纤维均受到指向板内侧的力F1、F2，如图7b所示，避免了最外侧纤维被拉出，但下面板上侧的碳纤维仍受到斜向上的力F2，故该面板上侧有少量碳纤维毛刺形成。菱齿CVD 金刚石涂层铣刀为不连续刃铣刀，相邻两齿的最大间距为2.6 mm，铣削加工时，厚1.1 mm 的面板可位于相邻的两齿间，使得面板的上、下侧均受到指向内侧的铣削力，如图7c 所示，面板的玻璃纤维和碳纤维均能有效切断。但试验中上、下面板玻璃纤维的切断率却出现了不同情况，根据刀具磨损痕迹分析，此时面板并未夹在相邻两齿间。

3 结语

(1)在其他切削参数相同的情况下，随着铣削宽度的增加，刀具磨损都随之增加。其中，硬质合金铣刀磨损最严重，磨损量远大于金刚石涂层铣刀。

(2)在铣削玻璃纤维/碳纤维芳纶纸蜂窝板试验中，硬质合金铣刀的切削效果最差，蜂窝板上有大量长而密的玻璃纤维和碳纤维毛刺，芳纶纸蜂窝芯条也未能切断。人字形和菱齿CVD 金刚石薄膜涂层铣刀的纤维切断率高，蜂窝芯条变短，其中，前者玻璃纤维的切削效果最好，后者碳纤维的切削效果最佳。

(3)人字形和菱齿CVD 金刚石薄膜涂层铣刀均可以用于加工玻璃纤维/碳纤维芳纶纸蜂窝板。

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