陳嘯宇，趙 威，趙國(guó)龍，李 亮，李 浩

（1.南京航空航天大學(xué)直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（Carbon fiber re-inforced plastics，CFRP）因其高強(qiáng)度比、良好的隔熱性能、耐腐蝕性能、抗疲勞性能以及可定制等優(yōu)點(diǎn)在航空航天、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。在航空工業(yè)中CFRP 零件大多是通過一次成型工藝制成［3］，但為了保證形位公差要求，通常需要進(jìn)行二次加工，例如銑削、鉆削等［4］。然而，由于CFRP 的非均質(zhì)性和各向異性，加工過程中極易產(chǎn)生分層、毛刺等缺陷［5］。同時(shí)，銑削加工過程中產(chǎn)生的高硬度碳纖維粉末以及高切削溫度、高切削力，使得刀具磨損嚴(yán)重。過快的刀具磨損不僅降低了加工效率，也會(huì)因?yàn)榈毒吣モg使得表面質(zhì)量降低從而影響零件工作壽命和使用性能［6］。

在切削加工CFRP 時(shí)，由于傳統(tǒng)切削液易滲透進(jìn)CFRP 材料導(dǎo)致其力學(xué)性能退化［7］，實(shí)際加工多采用干切削方式。但是由于干切削存在高切削力、高切削溫度、低表面質(zhì)量和刀具磨損嚴(yán)重等問題，因此，采用低溫切削如利用液氮（LN2）、液態(tài)二氧化碳（LCO2）等低沸點(diǎn)低溫介質(zhì)對(duì)切削區(qū)進(jìn)行冷卻［8］，可有效避免傳統(tǒng)切削液的使用，且加工過程中冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)綠色無污染，近年來已成為CFRP 加工的研究熱點(diǎn)。如Kumar 等［9］對(duì)比了常溫和低溫環(huán)境下CFRP 單向?qū)雍习宓谋砻嫱暾?，在低溫條件下其表面質(zhì)量相較于干切削最高提高了26.71%。Khairusshima 等［10］在加工過程中噴射-10 ℃的冷空氣對(duì)硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行冷卻，結(jié)果表明，與室溫相比刀具磨損和加工表面粗糙度明顯得到改善。王彤輝［11］在CFRP 單向?qū)雍习鍌?cè)銑加工中應(yīng)用低溫液氮冷卻，以毛刺損傷指數(shù)（Fd）為指標(biāo)，指出低溫條件下毛刺缺陷得到了較好的抑制，且切削介質(zhì)溫度越低，則Fd 越低。然而，CFRP 材料以樹脂作為基體材料，其力學(xué)性能在低溫條件下通常會(huì)得到提升，從而導(dǎo)致切削力增大，因此存在刀具磨損加劇風(fēng)險(xiǎn)。如Ohashi等［12］指出在低溫條件下CFRP 材料的硬度隨著溫度降低而不斷提高，當(dāng)溫度達(dá)到-60 ℃，其硬度約為室溫的1.5 倍。Morkavuk 等［13］發(fā)現(xiàn)低溫條件下CFRP 的楊氏模量以及拉伸強(qiáng)度分別提高了3.65%和3.04%，從而導(dǎo)致更大的切削力。同樣，Shao 等［14］發(fā)現(xiàn)在低溫條件下纖維與樹脂的結(jié)合強(qiáng)度提高了約31%，同時(shí)樹脂的拉伸強(qiáng)度提高了27%。

綜上可以看出，現(xiàn)有的研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了低溫切削對(duì)CFRP 加工表面質(zhì)量的影響，針對(duì)低溫切削對(duì)刀具磨損影響的研究，尤其是面向工業(yè)上應(yīng)用更為廣泛的CFRP 多向?qū)雍习宓牡蜏厍邢鞯毒吣p研究相對(duì)較少。而采用低溫加工CFRP 材料，在提升已加工表面質(zhì)量和抑制刀具磨損的同時(shí)，低溫下的CFRP 材料硬度和強(qiáng)度增加亦會(huì)導(dǎo)致切削力增大，從而對(duì)抑制刀具磨損不利。因此，從抑制刀具磨損和延長(zhǎng)刀具壽命的角度考慮，探索低溫切削CFRP 時(shí)切削用量與切削介質(zhì)溫度等對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律十分必要。

為此，針對(duì)上述問題，本研究以T800 多向?qū)雍习鍨檠芯繉?duì)象，選用PCD 刀具進(jìn)行了T800 CFRP 材料的低溫銑削試驗(yàn)，并與干切削進(jìn)行對(duì)比，深入分析了切削用量、切削介質(zhì)溫度等對(duì)刀具后刀面磨損VB 的影響規(guī)律，進(jìn)而利用MATLAB軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到了切削速度、每齒進(jìn)給量以及切削介質(zhì)溫度與刀具后刀面磨損帶寬VB 的映射關(guān)系經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以期為T800 CFRP 材料銑削刀具磨損抑制和延長(zhǎng)刀具壽命提供關(guān)鍵支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中采用T800 CFRP 多向?qū)雍习遄鳛楣ぜ牧?，工件尺寸?00 mm×100 mm×6.2 mm，如圖1 所示。T800 CFRP 多向?qū)雍习骞灿?jì)16 個(gè)鋪層，鋪層方向?yàn)椋?/ 90/ 45/ -45］s。T800 CFRP的組成和力學(xué)性能如表1 所示。

圖1 T800CFRP 多向?qū)雍习錐ig.1 T800 CFRP multi-directional laminates specimen

表1 T800 CFRP 的組成和力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties and structural parame?ters of T800 CFRP

1.2 試驗(yàn)刀具

試驗(yàn)所用刀具為PCD 直刃銑刀，如圖2 所示。刀具具體參數(shù)如表2 所示。該刀具采用0°螺旋角，能夠有效減小軸向切削力從而抑制分層缺陷［15］。刀柄為硬質(zhì)合金材料，金剛石刀片通過焊接進(jìn)行連接。PCD 刀具硬度高，耐磨性能好，且避免了CVD 刀具金剛石涂層高溫易剝落的問題，是目前CFRP 材料的最佳切削用刀具材料。

1.3 低溫冷卻系統(tǒng)

圖2 PCD 直刃銑刀Fig.2 PCD straight milling cutter

表2 PCD 直刃銑刀幾何參數(shù)Table 2 Geometrical parameters of the PCD straight milling cutter used in the experiment

圖3 為試驗(yàn)所采用的低溫液氮冷卻系統(tǒng)實(shí)物圖和原理圖。該系統(tǒng)通過液氮與常溫氮?dú)饣旌闲纬傻蜏厣淞?，并在試?yàn)中維持自增壓液氮罐的輸出壓力恒定（即液氮流量為0.5 L/min），通過流量計(jì)調(diào)節(jié)常溫氮?dú)饬髁繉?shí)現(xiàn)低溫射流從-196 ℃至20 ℃（室溫）的調(diào)節(jié)，氮?dú)饬髁靠赏ㄟ^式（1）［16］計(jì)算得到。切削介質(zhì)（射流）溫度通過溫度傳感器于噴嘴出口處進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)切削介質(zhì)溫度上下波動(dòng)不超過10 ℃時(shí)視為射流輸出溫度穩(wěn)定。

式中：A為氮?dú)饬髁?，T為低溫射流溫度。

1.4 試驗(yàn)設(shè)置

所有的低溫銑削試驗(yàn)均在DMG DMU60 monoBLACK 五軸立式加工中心上進(jìn)行。機(jī)床最大轉(zhuǎn)軸速度12 000 r/min，最大進(jìn)給速度為20 m/min，最大功率為15 kW。試驗(yàn)采用側(cè)銑方式（順銑）對(duì)T800 CFRP 多向?qū)雍习暹M(jìn)行銑邊，低溫銑削現(xiàn)場(chǎng)加工圖及示意圖如圖4、5 所示。其中，切削介質(zhì)輸送噴嘴對(duì)準(zhǔn)刀具后刀面并覆蓋整個(gè)切削區(qū)（刀/工接觸區(qū)），以便射流對(duì)刀具進(jìn)行冷卻。為了保護(hù)試驗(yàn)人員和機(jī)床，避免碳纖維粉塵對(duì)環(huán)境的污染，在切削區(qū)附近使用工業(yè)吸塵器清除切屑。銑削過后，取下刀具，采用LECIA DVM6 顯微鏡對(duì)刀具磨損進(jìn)行圖像獲取以及測(cè)量。

圖3 低溫液氮冷卻系統(tǒng)Fig.3 Cryogenic cooling system

圖4 低溫銑削現(xiàn)場(chǎng)加工圖Fig.4 Processing diagram of cryogenic milling

圖5 低溫銑削示意圖Fig.5 Schematic diagram of cryogenic milling

該試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)，分別研究了切削速度、每齒進(jìn)給量、切削介質(zhì)溫度對(duì)刀具磨損的影響。試驗(yàn)中每組試驗(yàn)使用一把新刀，切削32 刀，銑削行程3.2 m，并重復(fù)3 次試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)取平均值。表3、4 為試驗(yàn)所采用的具體參數(shù)。

表3 CFRP 單因素銑削試驗(yàn)參數(shù)表Table 3 Parameter table of CFRP single factor milling test

表4 CFRP 變溫銑削試驗(yàn)參數(shù)表Table 4 Parameter table of CFRP variable temperature milling test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損形式

在實(shí)際側(cè)銑時(shí)，僅PCD 銑刀側(cè)刃參與切削。切削時(shí)前刀面和后刀面分別與工件和已加工表面劇烈摩擦，造成切削區(qū)域溫度升高，導(dǎo)致刀具在高溫下逐漸發(fā)生磨損。另外，不同于傳統(tǒng)金屬材料，T800 CFRP 材料切削產(chǎn)生的切屑為具有較高硬度的碳纖維粉末顆粒，刀/工接觸區(qū)產(chǎn)生的劇烈摩擦導(dǎo)致后刀面以及刃口磨損嚴(yán)重。圖6 所示為前刀面及后刀面磨損形貌。從該圖可以看出，由于碳纖維是典型的脆硬材料，主要發(fā)生脆性斷裂，因此刀具磨損主要集中在刀具后刀面上。因此，本文選擇后刀面磨損帶寬來表征刀具磨損情況。

與此同時(shí)，從圖6 中還可以發(fā)現(xiàn)，后刀具磨損帶呈現(xiàn)為一系列規(guī)律排列的月牙形磨損帶，與切削傳統(tǒng)金屬時(shí)的刀具后面磨損帶有明顯不同，這一結(jié)果與Kim 等［17］以及Han 等［18］切削CFRP 多向?qū)雍习宓玫降毒吣p形式相一致。這主要是由于多向?qū)雍习宀煌亴臃较虻奶祭w維材料去除機(jī)制不同，從而導(dǎo)致切削過程中切削力有明顯差異所引起的［19］。如已有研究結(jié)果［20］表明，切削力隨纖維角度變化由小到大排列為F90°＜F45°＜F135°＜F0°，即以90°為界，纖維切削方式由逆纖維切削轉(zhuǎn)變?yōu)轫樌w維切削，材料去除機(jī)理由彎曲斷裂及擠壓剪切斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟屑袄鞌嗔?，而擠壓剪切斷裂消耗的能量更多，因此切削力更大。此外，當(dāng)切削0°纖維層時(shí)，纖維發(fā)生的擠壓變形最大，因此纖維對(duì)后刀面的摩擦和擠壓最為嚴(yán)重［18］，從而導(dǎo)致切削0°纖維時(shí)刀具磨損較為嚴(yán)重，90°刀具磨損較輕。由于PCD刀具后刀面磨損為規(guī)律分布的月牙形磨損帶，為此本文對(duì)所有月牙形磨損區(qū)進(jìn)行測(cè)量并取其平均值作為刀具的后刀面磨損帶寬。

圖6 前刀面及后刀面磨損形貌Fig.6 Tool wear topography of rake face and flank face

2.2 切削速度對(duì)刀具磨損的影響

圖7 后刀面磨損帶寬隨切削速度的變化Fig.7 Wear band width of flank face varies with cutting speed

采用PCD 二齒直刃銑刀在干切削和液氮冷卻條件下側(cè)銑T800 CFRP 后刀面磨損帶寬隨切削速度的變化規(guī)律如圖7 所示。從該圖可以看出，在相同的切削用量下，液氮冷卻條件（-196 ℃，CT）下的刀具磨損均大于干切削（室溫條件，RT）下的刀具磨損。這主要是由于低溫環(huán)境下較低的切削溫度雖能有效抑制刀具磨損，但樹脂硬度提高，樹脂與纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度提高［14］，切削力明顯增大，在純液氮冷卻（-196 ℃）的條件下切削力對(duì)刀具磨損的影響占據(jù)主導(dǎo)地位，使得刀具磨損相較于室溫條件更為嚴(yán)重。此外，無論是在干切削還是液氮冷卻條件下切削T800 CFRP，刀具后刀面磨損帶寬都隨著切削速度的提高而不斷減小。究其原因，隨著切削速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)刀具與工件摩擦距離增大，切削區(qū)溫度升高導(dǎo)致樹脂硬度降低甚至軟化［21］，從而降低了切削力。另外，隨著切削速度的提高，單位體積材料的切削時(shí)間縮短，纖維變形減輕［22］，已加工表面粗糙度降低，從而減輕了纖維回彈擠壓以及對(duì)刀具后刀面的摩擦。因此，大的切削速度條件下刀具磨損較小。

2.3 每齒進(jìn)給量對(duì)刀具磨損的影響

如圖8所示為PCD 二齒直刃銑刀在干切削和液氮冷卻條件下側(cè)銑T800 CFRP 后刀面磨損帶寬隨每齒進(jìn)給量的變化規(guī)律。由該圖可知，在干切削和液氮冷卻條件下，后刀面磨損帶寬隨每齒進(jìn)給量整體均呈下降趨勢(shì)，該結(jié)果與Ozkan 等［23］采用WC-Co硬質(zhì)合金刀具切削CFRP 多向?qū)雍习鍟r(shí)得到的刀具磨損變化趨勢(shì)相似。當(dāng)每齒進(jìn)給量增大時(shí)，刀具單位時(shí)間內(nèi)的材料去除量增大，切削阻力增大，切削力提高。然而，隨著每齒進(jìn)給量增大，相同切削行程，切削時(shí)間減少，刀/工接觸區(qū)減小，刀具磨損降低［24］。因此，在上述兩種因素的共同作用下，室溫條件下的后刀面磨損帶寬先增大后減小，而在低溫條件下，切削時(shí)間對(duì)刀具磨損的影響占主導(dǎo)地位，后刀面磨損帶寬隨著每齒進(jìn)給量增大而不斷減?。?4］。

圖8 后刀面磨損帶寬隨每齒進(jìn)給量的變化Fig.8 Wear band width of flank face varies with feed rate per teeth

2.4 切削介質(zhì)溫度對(duì)刀具磨損的影響

圖9 后刀面磨損帶寬隨切削介質(zhì)溫度的變化Fig.9 Wear bandwidth of flank face varies with coolant temperature

圖9為PCD 二齒直刃銑刀在相同切削用量（vc=125.6 m/min，fz=0.04 mm/z，ae=1 mm）下銑削T800 CFRP 刀具磨損帶寬隨切削介質(zhì)溫度的變化規(guī)律。從該圖可以看出，刀具后刀面磨損帶寬首先隨著切削介質(zhì)溫度的降低而減小，并在-50 ℃達(dá)到最小值，隨后刀具后刀面磨損帶寬迅速變大甚至超過室溫條件下的刀具磨損。究其原因，隨著切削介質(zhì)溫度的降低，CFRP 材料的力學(xué)性能隨之提升，如樹脂基體與碳纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度逐漸增大，樹脂硬度不斷提高［12-14］，因此銑削CFRP 所需的能量不斷提高，導(dǎo)致切削力增大，加劇刀具磨損。然而，切削介質(zhì)溫度降低能夠有效降低切削區(qū)域產(chǎn)生的切削熱，對(duì)抑制刀具磨損有利。同時(shí)，已有研究表明［11-20］，隨著切削介質(zhì)溫度的降低，樹脂與碳纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度增大，減少了纖維拔出、凹坑等表面缺陷的出現(xiàn)，已加工表面粗糙度得到改善，毛刺因子也隨著溫度降低不斷減小，因此其對(duì)刀具后刀面的摩擦減小，從而減輕了刀具磨損。因此，在多重因素的綜合作用下，刀具后刀面磨損帶寬呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，并在-50 ℃左右低溫抑制刀具磨損以及低溫改善加工表面質(zhì)量所帶來的正面影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低溫增強(qiáng)CFRP 材料力學(xué)性能導(dǎo)致切削力增大所帶來的負(fù)面影響，從而在-50 ℃得到了最小的刀具磨損，這一結(jié)論與Jia等［25］建議低溫切削CFRP 準(zhǔn)各向同性層合板時(shí)切削區(qū)域溫度不低于-25 ℃以避免切削力過大相似。

2.5 刀具磨損經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

建立刀具磨損與切削用量之間的映射關(guān)系是抑制刀具磨損和延長(zhǎng)刀具壽命的重要前提。為此，本文采用基于試驗(yàn)的方法，建立了刀具后刀面磨損帶寬與切削速度vc、每齒進(jìn)給量fz、切削介質(zhì)溫度t之間的映射關(guān)系經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其中，采用?fù)指形式，假設(shè)VB 與vc、fz、t間的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

采用MATLAB 軟件的非線性回歸nlinfit 函數(shù)，結(jié)合處理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)即可以得出VB 與切削用量之間的非線性回歸方程

最終建立的刀具磨損映射方程如下

為了確定映射方程（3）的可信度，需要對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性驗(yàn)證，通過計(jì)算R2可得，該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合優(yōu)度為80.45%。另外，本文選取了兩組切削用量進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)：vc=188.4 m/min，fz=0.04 mm/z，t=-196 ℃；vc=251.2 m/min，fz=0.04 mm/z，t=-196 ℃。通過刀具磨損映射方程可得刀具后刀面磨損帶寬分別為71.83 μm，66.67 μm，與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果（70.54 μm，63.47 μm）分別存在1.6%和5.02%的誤差，均小于10%。因此，該映射關(guān)系經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)PCD 刀具低溫銑削T800 CFRP 材料時(shí)的刀具后刀面磨損帶寬進(jìn)行了有效預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

（1）采用PCD 銑刀銑削T800 CFRP 多向?qū)雍习?，由于不同纖維角度碳纖維的去除機(jī)制存在差異，因此其刀具磨損主要為后刀面磨損，且形式為一系列規(guī)律排列的月牙形后刀面磨損帶。

（2）通過干切削和低溫切削試驗(yàn)得出后刀面磨損帶寬隨著切削速度和每齒進(jìn)給量的增大而減小，隨著切削介質(zhì)溫度的降低先減小后增大，并在-50 ℃附近達(dá)到最小值。因此，從抑制刀具磨損的角度考慮，低溫銑削CFRP 材料時(shí)并非溫度越低越好。

（3）利用MATLAB 軟件非線性回歸nlinfit 函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到刀具磨損關(guān)于切削用量和切削介質(zhì)溫度的映射方程，通過驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)方程進(jìn)行檢驗(yàn)，得到的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比誤差均在10%以內(nèi)，能夠有效預(yù)測(cè)刀具磨損情況。