菱齒立銑刀銑削碳纖維復合材料的切削性能研究

■廈門金鷺特種合金有限公司 （福建 361021） 鄢國洪

菱齒立銑刀銑削碳纖維復合材料的切削性能研究

■廈門金鷺特種合金有限公司 （福建 361021） 鄢國洪

摘要：針對碳纖維復合材料在銑削加工時易起毛刺、工件表面質量差及刀具壽命短等問題，本文在分析普通右旋立銑刀銑削碳纖維復合材料形成缺陷機理的基礎上，提出了刀具的新型切削刃設計方案——菱齒設計，并選用普通右旋硬質合金立銑刀和新型菱齒硬質合金立銑刀進行碳纖維復合材料銑削加工時的工件表面質量和刀具磨損對比分析。

碳纖維復合材料（CFRP）是以碳纖維為增強體的樹脂基復合材料，具有比強度和比模量高，抗疲勞性能優異，減振性能好，安全性能高，可顯著降低結構件的重量等優異性能，目前廣泛應用于航空航天、汽車、能源及體育器材等領域。碳纖維復合材料零件與其他材料零件裝配聯接時，銑削加工是獲得精確幾何形狀的主要形式之一。由于碳纖維復合材料各向異性的特點，層間強度低而碳纖維硬度高，在銑削過程中易產生分層、翻邊及毛刺等缺陷，嚴重影響了刀具使用壽命和工件表面質量。

本文提出了菱齒型立銑刀的設計方案，并選用普通右旋金剛石涂層立銑刀、新型菱齒金剛石涂層立銑刀以及菱齒未涂層立銑刀，對碳纖維復合材料進行側銑試驗。在相同切削條件下，通過對銑削過程中工件加工表面質量、刀具壽命以及刀具磨損形貌的對比研究，探討了金剛石涂層的菱齒立銑刀銑削碳纖維復合材料的切削加工性能。

1. 菱齒型立銑刀設計原理

在碳纖維復合材料的銑削加工中，普通硬質合金立銑刀作為一種傳統經濟的刀具仍然存在于生產領域。普通右旋立銑刀銑削碳纖維復合材料加工如圖1所示。銑削過程中，由于刀具右旋螺旋角的存在，復合材料的上、下表面均受到斜向上的切削力作用，此時材料下表面的纖維層剛性較好，容易完全被切斷；而材料上表面的纖維層由于缺乏上方的支撐材料，不容易完全被切斷，因此在工件的上表面易出現毛刺、撕裂，甚至是分層現象，影響工件表面質量。

圖1　普通右旋立銑刀銑削CFPR

圖2　菱齒立銑刀的刃型

新型菱齒立銑刀的刃型如圖2所示，菱齒型立銑刀通過右旋向和左旋向的開槽磨削，形成了數量較多的切削刃。在每個菱形的刀齒上，都具有右旋切削刃和左旋切削刃。銑削時，碳纖維復合材料既受到右旋切削刃向上切削分力的作用，也受到了左旋切削刃向下切削分力的作用，因此纖維層材料受力均衡，切削過程平穩。由于菱齒型立銑刀在任一截面均有右旋刃和左旋刃同時參與切削加工（見圖3），在較快切削速度的作用下，工件表面層纖維材料同時受到了向上和向下切削力的作用，類似于剪刀原理，纖維材料輕易被剪斷，可以有效地防止工件上、下表面撕裂、毛刺等加工缺陷的產生，提高復合材料的加工質量。

圖3　菱齒立銑刀的橫截面

2. 試驗條件

試驗刀具選用金剛石涂層普通右旋立銑刀、金剛石涂層菱齒立銑刀以及未涂層的菱齒立銑刀，如圖4所示，刀具幾何參數如表1所示。試驗工件材料為T300型碳纖維復合材料，工件材料性能如表2所示。

切削試驗在福裕立式加工中心QP2033-L上進行，刀柄BT40-KMC32-105，加工條件如表3所示。試驗后，選用Keyence顯微鏡（型號：VHX-100）觀察工件表面質量以及刀具切削刃的磨損情況。

3. 試驗結果與分析

（1）工件表面質量對比分析。在相同的切削加工條件下，普通金剛石涂層右旋立銑刀側銑碳纖維復合材料3m后工件的表面質量如圖5所示。從圖中可以看出，工件上表面出現了明顯的毛刺和撕裂現象，而下表面加工質量良好。

圖6所示為金剛石涂層菱齒立銑刀側銑碳纖維復合材料3m后工件的表面質量照片。從圖中可以看出，碳纖維復合材料工件的上、下表面均未出現毛刺、撕裂等加工缺陷，加工表面質量明顯優于普通立銑刀。圖7所示為未涂層菱齒立銑刀側銑碳纖維復合材料3m后工件的表面質量圖片。由圖可見，工件的上、下表面出現了輕微的毛刺現象，加工表面質量優于普通立銑刀，但比金剛石涂層菱齒立銑刀差。這主要是由于工件材料中的碳纖維硬度較高、未涂層刀具磨損較快的原因。

圖4　試驗中使用的銑刀

圖5　普通右旋立銑刀加工工件表面質量

圖6　菱齒金剛石涂層立銑刀加工工件表面質量

表1　試驗刀具參數

表2　碳纖維復合材料性能

表3　碳纖維復合材料的銑削加工條件

（2）刀具壽命對比分析。

圖8所示為3款銑刀側銑碳纖維復合材料的刀具磨損曲線。若不考慮碳纖維復合材料表面質量，僅以刀具后刀面磨損量VB=0.1mm作為刀具磨鈍標準，在達到磨鈍標準時，菱齒金剛石涂層立銑刀的切削距離為63m，普通立銑刀的切削距離為18m，而菱齒未涂層立銑刀的切削距離僅為7m。金剛石涂層普通右旋立銑刀的刀具磨損比同樣涂層的菱齒立銑刀要快得多，這主要是由于菱齒立銑刀的切削刃數量在設計上明顯多于普通立銑刀，在任一橫截面上，同時參與切削加工的切削刃約8個（見圖3），為普通右旋立銑刀的2倍。在相同轉速和進給速度下，菱齒立銑刀每齒承擔的切削力比普通立銑刀小，因此同為金剛石涂層的菱齒立銑刀刃口磨損比普通立銑刀緩慢。對比金剛石涂層菱齒立銑刀和未涂層的菱齒立銑刀，可以發現金剛石涂層的菱齒立銑刀的刀具壽命約是未涂層菱齒立銑刀的9倍。

（3）切削刃磨損對比分析。由于碳纖維復合材料的切屑呈粉末狀，刀具的磨損主要發生在切削刃和后刀面附近。刀具后刀面磨損值VB=0.1mm的刀具磨損如圖9所示。從圖9a中可以看出，普通右旋立銑刀前端切削刃的后刀面磨損顯示為均勻磨損，在靠近工件上表面的位置出現異常邊界磨損，初步分析由于碳纖維上表面殘留毛刺對刀具不斷沖擊造成邊界劇烈磨損，露出發亮的硬質合金基體材料，刀具磨損嚴重。相比之下，圖9b所示菱齒金剛石涂層立銑刀則顯現出良好的耐磨性，加工63m后刀具后刀面磨損量才達到0.1mm，其右旋刃表面金剛石涂層已被磨損掉，而左旋刃表面金剛石涂層僅發生輕微磨損。圖9c所示的未涂層菱齒立銑刀在切削7m后，右旋刃和左旋刃都出現了嚴重磨損。這主要是由于碳纖維復合材料主要成分是碳，其硬度非常高，在切削加工時，碳原子與刀具表面發生劇烈摩擦，當硬質合金刀具表面沒有涂層保護時，刀具后刀面非常容易發生磨損。而金剛石涂層的硬度非常高，可以達到8 000HV，在切削加工碳纖維復合材料時，金剛石涂層可以有效保護刀具刃口，從而減緩刀具后刀面的磨損。

圖7　菱齒未涂層立銑刀加工工件表面質量

圖8　刀具磨損曲線

圖9　刀具后刀面磨損

4. 結語

（1）由于菱齒型立銑刀在每個刀齒上均有右旋刃和左旋刃，在任一橫截面上均同時有右旋刃和左旋刃參與切削，形成的剪切合力易于將碳纖維絲束剪斷，可有效抑制碳纖維復合材料表面毛刺、撕裂等現象的發生，提高工件加工表面質量。

（2）相同金剛石涂層的菱齒立銑刀和普通右旋立銑刀相比，由于菱齒立銑刀同時參與切削的刃數約為普通右旋立銑刀的2倍，故菱齒立銑刀每齒承擔切削力較小，刀具后刀面磨損緩慢；未涂層的菱齒立銑刀在銑削碳纖維復合材料時，由于刀具表面沒有金剛石涂層的保護，刀具后刀面磨損速度非常快。

（3）綜上所述，新型金剛石涂層菱齒立銑刀適合于碳纖維復合材料的銑削加工。

收稿日期：（20150414）