涂层硬质合金刀片车削典型CFRP的工程技术研究*

何耿煌

(厦门金鹭特种合金有限公司， 福建 厦门 361006)

碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer/plastic, CFRP)是一种发展迅速的高性能复合材料，已经被广泛应用于航空航天、陆上运输装备、能源装备以及3C等制造行业[1>-2]。由于对零部件形状和尺寸精度控制的要求不断提高，对CFRP的加工要求也随之提高。

目前，国内外学者针对CFRP的高效切削及其刀具技术等方面已经做了大量的研究。MARK等[3]分别用相同结构的金刚石和涂层硬质合金铣刀铣削CFRP，分析刀具的失效形式，认为金刚石刀具更加适合加工CFRP。FERREIRA等[4]实验研究了刀具材料对CFRP已加工表面质量的影响，发现在精加工过程中采用PCD刀具能获得更高的表面光洁度，在粗加工时采用涂层硬质合金也可以完成CFRP的高效加工。赵建设[5]研究了CFRP的高速钻削，揭示了刀具磨损与切削力间的相互作用规律。侯荣生[6]研究了CFRP钻削机床，获得高效加工的钻削技术及机床系统参数。李志强等[7]研究了CFRP的可加工性，提出了可实现其高品质加工的方法。王义文等[8]研究了CFRP的切屑形成机理，设计出能够在加工过程中直接将碎屑排出的吸气式自排屑钻头，实现了碳纤维复合材料的绿色加工。

目前，针对此方面的大部分研究还主要集中在旋转加工技术方面，如铣削、钻削和磨削等，而针对CFRP的高效高品质车削工程技术方面的研究则少见报道。虽然当前切削仿真技术发展迅速，但由于CFRP材料力学性能的多样性，仿真软件在参数设置方面仍无法达到与实际情况的高度吻合[9]。因此，采用切削实验方法来研究CFRP的车削特性是一项具有积极意义的研究工作。

1 CFRP车削特点

将CFRP纤维的配置方向与刀具切削速度vc间的夹角称为纤维角θ(如图1所示)，其直接影响刀具和工件间的切削力、切削温度以及工件的已加工表面质量[10]。不同纤维角时，CFRP车削过程的纤维折断机理如图2所示。

(a) θ≥90°情况

(b) θ<90°情况

在θ≥90°情况下(图1a)，CFRP纤维的折断是刀具切削刃挤压拉伸作用的结果(图2a)。此时刀具后刀面与工件已加工表面的接触面积较大，摩擦严重，刀具切削阻力大，切削热大量堆积，从而易引起刀具后刀面快速磨损，但这种情况下工件的已加工表面质量较高。

在θ<90°情况下(图1b)，CFRP纤维的折断是受刀具切削刃剪切及其本身弯曲耦合作用的结果，故其已加工表面粗糙度较高，这种情况下刀具后刀面与工件已加工表面接触面积较少，摩擦小，切削阻力小，因此刀具磨损缓慢，使用寿命长。

(b) θ<60°下方折断型

(c) 60°≤θ<90°前端折断型

当θ<90°时，CFRP纤维的折断形式也不同[11]：当θ<60°时，称为下方折断，碳纤维在切削层下方受刀具剪切及其自身弯曲耦合作用而断裂(图2b)；当60°≤θ<90°时，称为前端折断，碳纤维在前端受切削刃挤压而断裂(图2c)。

因此，车削过程中可以通过增大车刀的工作前角γ、工作刃倾角λ、切削刃的锋利度、减小切削深度ap以及在θ≥90°情况下车削等方法来提高加工质量。

2 车削实验

2.1 实验原理

进行典型碳纤维增强复合棒料端面车削实验。为减弱刀具结构对切削过程的影响，实验选用相同几何结构，不同涂层牌号的ISO标准车削刀片。

实验过程采集不同切削参数下的切削力和切屑形态等数据，通过力学传感器及高速摄影系统监测刀具工作状态。切削过程中采集各切削参数下的切屑样本，并借助光学扫描系统对已加工表面和切屑样本进行观测，从而揭示硬质合金刀具车削CFRP的切削特性及其规律。

2.2 实验方法

实验工件为典型的CFRP棒料T800H，棒料直径φ1=120 mm；棒料采用绕线法制成，碳纤维丝直径φ2=5 μm，拉伸强度为5490 MPa；伸长率为1.9%；密度为1.81 g/cm3；丝束为12，000；上浆剂50B的质量分数为0.7%。

实验机床：Mazak M>-5N车削中心，最大加工直径为580 mm；最大加工长度为2080 mm；最大转速nmax=2200 r/min；最大功率Pmax=22 kW。

实验刀具：ISO标准规格的硬质合金车刀片，刀片A为SPMG120408>-CG1，涂层牌号ALCRONA PRO，硬度3200 HV 60，导热系数为40.02 W/(m·K)；刀片B为SPMG120408>-CG2，涂层牌号X.CEED，硬度3300 HV 60，导热系数为46.79 W/(m·K)；实验刀片前角γ=20°、后角α=11°、刀尖圆弧r=0.8 mm，刀片刃口形式为瀑布型。

过程监测：切削力监测采用Kistler 9129AA型多分量力学传感器；切削压力监测采用Kistler 6215型压力传感器；刀具工作状态监测采用IX i>-speed 726高速摄影系统。

样本分析：实验件切削表面形貌特征观测采用BRUKER 3D光学扫描系统；切屑样本分析采用Keyence VHX>-600数码显微系统。

切削参数：切削实验过程采用恒定的切削深度ap，不同的进给量f和切削速度vc。具体参数如表1。

表1 切削实验参数

3 实验结果分析

3.1 CFRP切屑形态分析

车削CFRP过程中产生的切屑形态大部分为微小碎屑状，有的甚至呈粉末状态(如图3所示)。其原因主要是碳纤维长度较短，有些区域来不及经历挤压→变形→断裂→切屑排出的动态演化全过程就已经被剪切断裂[12]。

(a) 碎状切屑

(b) 粉末状切屑

图4为在切削深度ap=0.5 mm、切削速度vc=100 m/min及进给量f=0.025 mm/r条件下CFRP已加工表面的形貌特征图。由图4发现：车削后加工表面的断裂程度比较明显，但基体材料的变形情况非常小(图4a)；加工过的碳纤维变得松散，几乎没有基体材质附着在其上(图4b)，说明在车削过程中，呈片状的石墨纤维与基体之间易滑移，因此可以获得较好的表面加工质量。

(a) 已加工表面形貌特征

(b) 侧面碳纤维松散状态

3.2 切削力对比分析

切削实验过程中，采用Kistler 9129AA多分量力学传感器采集2种实验刀具在不同切削参数条件下车削CFRP的进给力Ff、径向力Fp以及主切削力Fc，从而分析评估不同涂层硬质合金车刀加工CFRP的性能差异。为确保数据的精准度，每组数据测量5次取平均值。

图5为实验刀片A车削CFRP复合材料时进给力Ff、径向力Fp以及主切削力Fc的变化曲线。

(a) Ff与vc的关系曲线

(b) Fp与vc的关系曲线

(c) Fc与vc的关系曲线

由图5可知：相同条件下车削过程中，径向力Fp最大。这是因为该分量是刀尖横向切入复合材料时产生的，其大小由复合材料的物理性能决定，即复合材料的硬度越高，车刀切入的阻力越大。

从图5中还可发现：随着切削速度vc增大，各切削力分量也增大，如进给力Ff、径向力Fp。实验分析可知：提高切削速度vc，刀片参与切削区域的温度升高，在接触区域温度载荷达到一定数值时便会造成切削刃退火和变形，削弱刀具的切削能力。然而，在不同切削速度范围内，各分量切削力的力学特性不同，如：当切削速度vc=50～150 m/min时，主切削力Fc随切削速度vc的增大而减小；而当vc>150 m/min时，Fc随vc的增大而增大。从主切削力Fc变化特性可知：实验刀片A车削CFRP复合材料的临界切削速度vcr>-A为150 m/min。

图6为实验刀片B车削CFRP复合材料时的切削力曲线。

(a) Ff与vc的关系曲线

(b) Fp与vc的关系曲线

(c) Fc与vc的关系曲线

由图6可知：刀片B的主切削力Fc拐点也是在切削速度vc=150 m/min处；但在相同切削参数条件下，实验刀片B的切削力变化曲线较为平缓，这表明其具有更优异的切削性能。

通过对比图5和图6可发现：实验刀片B的切削力相比于实验刀片A的切削力更大，这在大进给量的条件下表现得尤为明显。研究表明：工件材料的理化性能也是影响刀具切削性能的重要因素之一[13]；而CFRP复合材料的热传递性能较好(与GFRP相比)[14]，因此，车削此种材料时刀具参与切削区域的切削温度相对较低。这种情况下导热系数低的刀具便具有更优异的切削性能，可以有效减小各切削力。

3.3 单位切削力对比分析

图7为实验刀片A和B在不同切削参数条件下单位切削力的特性曲线。从图7可知：在切削速度vc=50～150 m/min时，2种实验刀片的单位切削力随切削速度的增大而减小；在vc>150 m/min时，随切削速度vc增大，切削温度升高，刀具变形加剧，从而引起单位切削力的增加。

(a) 实验刀片A单位切削力Pc与切削速度vc的关系曲线

(b) 实验刀片B单位切削力Pc与切削速度vc的关系曲线

从图7中还可以发现：实验刀片B单位切削力的变化更平稳，因此具有更加优异的切削性能。虽然实验刀片A的导热系数更低、切削区域堆积的热量少，但实验刀片B的硬度更高、抗高温变形的性能更好。因此，在车削CFRP复合材料时，实验刀片B表现出更好的性能。

3.4 工件表面质量对比分析

2组刀片已加工表面的质量对比如图8所示。切削实验过程监测发现，在相同进给量f、切削深度ap和不同切削速度vc的条件下，已加工表面的光洁度表现出非常好的一致性，即：不管在低速还是高速条件下，只要是进给量f相同，其已加工表面光洁度一样(如图8a所示)。这说明碳纤维的瞬间断裂特性对CFRP复合材料已加工表面质量起到决定性的作用。这主要是因为在低切削速度条件下，刀具通过挤压引起碳纤维产生瞬间断裂；而在高切削速度条件下，碳纤维还未经历变形全过程就已经被刀具剪断。因此，不管在哪种切削速度条件下，只要进给量f和切削深度ap相同，同一把刀具加工出来的表面光洁度是接近的。

同时，对比实验刀片A和B，硬度更高的实验刀片B加工出更好的表面质量，说明高硬度的刀具更加适合CFRP复合材料的加工。

(b) 实验刀片B加工表面形貌特征

3.5 刀具综合性能对比

由于CFRP碳纤维具有优异的机械性能和热传导性能，其加工时碳纤维变形较小(主要以瞬时断裂为主)，同时加工部位既不会出现分层现象也不会出现纤维异常破边的问题[15]。切削过程中,实验刀片B总体性能更好，表现在临界切削速度范围更大、刀具磨损更小，而且其加工表面质量更好、单位切削力更小。

4 结论

通过对比相同参数、不同涂层的刀具进行的典型碳纤维增强复合棒料端面车削实验，获得如下结论：

(1)在碳纤维车削过程中，为获得较高的加工表面质量，应尽可能选取纤维角θ≥90°，并选取较大的刀具后角。大的纤维角θ能高效率地挤压拉断纤维束，同时较大的后角能有效弱化刀具与工件已加工表面的摩擦。

(2)在切削深度ap和进给量f相同的情况下，切削速度vc对碳纤维已加工表面的光洁度影响较小。因此，为了获得较高的表面光洁度、较长的刀具寿命以及高效的材料去除率，实际加工过程中建议采用较大的切削深度ap、中等进给量f和中等切削速度vc。以碳纤维T800H为例，最佳的组合参数为ap=0.5 mm、f=0.05 mm/r、vc=150 m/min。

(3)选用硬质合金刀具切削碳纤维时，刀具基体应当选取硬度较高的牌号(细/超细硬质合金基体)；刀具涂层可选择导热系数较低但抗磨性能好的牌号(如金刚石涂层)；在刀具结构方面，在保证结构强度的基础上，建议采用大前角、大后角设计结合切削阻力更低的瀑布型刃口。