采用國產銑刀加工碳纖維復合材料的不足與建議

尚武林，朱龍超，龍 浩，張二勇，趙 博，楊 威，董海濤

（連云港神鷹復合材料科技有限公司，江蘇連云港 222000）

碳纖維是指碳的質量分數占到90%以上，既有碳素材料的結構特性又有纖維形態特征的一種高性能無機纖維，具有一系列優良性能，廣泛應用于航空航天、機械設備、建筑交通、文體醫療等領域，在國防軍工及國民經濟中有著重要的戰略地位。

狹義的碳纖維復合材料是指碳纖維增強樹脂基復合材料，碳纖維是增強相，熱固或熱塑性的樹脂基體為連續相。一般的碳纖維復合材料微觀結構是一層層碳纖維布（單向或編織）通過高分子的樹脂基體粘合到一起。與傳統金屬材料不同，碳纖維在層內是顯著的各向異性，只有平行纖維方向的力學性能、導電導熱等性能是優異的，而垂直纖維方向的性能較薄弱。同時，纖維層與層之間僅靠樹脂基體粘附，性能也非常薄弱的。碳纖維復合材料層壓板架構如圖1所示。

圖1 碳纖維復合材料層壓板

碳纖維復合材料與傳統金屬材料的加工差異還體現在以下4個方面：（1）碳纖維復合材料的樹脂基體軟化溫度較低，傳統環氧樹脂基的Tg點一般在200℃以下，樹脂耐高溫性差，超過額定溫度會造成局部樹脂燒焦等破壞；（2）碳纖維的模量較高，最低的T300也有230 GPa，較高的瀝青基碳纖維模量高達960 GPa，其硬度非常高，對刀具的磨損非常嚴重；（3）樹脂基體的模量較低，一般在幾個GPa左右，尤其又在加工產熱時存在一定彈性；（4）纖維的方向對加工時的發熱及刀具磨損等也有顯著影響[1]。

因此，碳纖維復合材料的特點決定了碳纖維復合材料在加工時明顯區別于傳統金屬材料，尤其表現在加工方式、工藝參數、刀具選擇[2]等方面。本研究主要針對現有市面上的國產銑刀和進口銑刀進行對比，分析兩者的優劣，并對國產銑刀和加工提出一些建議。

1 實驗部分

1.1 原料及主要儀器

1.1.1 原料

3K-200 g平紋織物預浸料RC42，SYT45-3K碳纖維，中溫固化環氧樹脂基體；單向預浸料FAW-200RC36，SYT49-12K碳纖維，中溫固化環氧樹脂基體。

銑刀：德國進口銑刀（表面有金剛石涂層）、國產銑刀（表面沒有金剛石涂層），刃徑都是2 mm，如圖2所示。

圖2 銑刀

1.1.2 主要設備

CP1318型CNC雕刻機（昆山洛凱精密機械電器有限公司，主軸最大轉速18 000 r/min），水冷系統。

1.2 碳纖維增強環氧樹脂基復合材料層壓板的制備

層壓板采用的鋪層結構是3K平紋/C90/C0/C90/C0/C90/C0/C90/3K平紋，中間UD預浸布采取對稱鋪層以保證碳板微觀受力均衡性而不容易翹曲。表面層采用3K平紋主要是為了起到加工時防止撕裂的作用。層壓板采用模壓工藝成型，成型模具如圖3所示。成型工藝參數是130℃～135℃，時間60 min，壓力1.0 MPa。最終制得的層壓板外形尺寸約為800 mm×580 mm×1.8mm，尺寸誤差不超過±0.1 mm。

圖3 成型模具示意圖

1.3 碳纖維增強環氧樹脂復合材料層壓板的加工對比

采用相同的加工參數，主軸轉速15 000 r/min，進給速度100 mm/min，下刀速度50 mm/min，下切步距2 mm，在水冷條件下對碳纖維層壓板進行同等條件下加工，碳纖維層壓板的加工軌跡如圖4所示。加工順序是從左往右依次進行加工，左側長條孔周長是1 520 mm，右側長條孔周長是1 540 mm，分別代表兩種長條孔加工時的路徑長度。

圖4 碳纖維層壓板加工軌跡

加工后的碳纖維層壓板效果和數據如圖5及表1所示。國產銑刀加工出來的碳板長條孔邊緣有較多毛刺現象，加工到6 080 mm時毛刺量非常明顯；而進口銑刀全程加工幾乎沒有毛刺產生，孔邊緣非常整齊。按GB/T 1804—2000通過公差標準f級（精密級）的要求，國產銑刀加工長度不足1 520 mm，當加工長度超過3 080 mm，m級（中等級）加工精度也不能保證且尺寸變化非常快；而進口銑刀加工精度滿足f級（精密級）的要求，加工長度可以達到22 980 mm以上，是國產銑刀使用壽命的15倍以上且尺寸變化非常緩慢。

圖5 碳纖維層壓板加工后效果

表1 碳纖維層壓板雕刻尺寸及毛刺情況對比

2 結果與討論

由于碳纖維復合材料的造價相比傳統金屬材料要高出很多，一般主要應用在高端領域，比如無人機上就大量使用CNC加工碳板。由于產品的應用特點，對尺寸精度要求都比較高，一般公差至少是m級（中等級）。尺寸加工精度和孔周圍毛刺量是判定碳纖維層壓板加工質量和經濟性的主要指標，前者決定了加工后的碳纖維層壓板是否能用，一旦加工錯誤，涉及到二次裝夾誤差等就很難進行返工，只能做報廢處理；后者決定了碳纖維層壓板的加工經濟性，假如毛刺量大，后期要花數倍于加工的成本去處理毛刺，經濟性較差，尺寸精度也難以保證。

楊小璠等人[3]研究了不同銑刀造型對加工質量的影響，同為菱齒型的立銑刀，鍍金剛石涂層能顯著減緩刀具磨損和提高表面加工質量。本研究進一步驗證了金剛石涂層對加工碳纖維復合材料刀具的重要性，對提高刀具的使用壽命和加工經濟性意義非常重大。本研究實驗用進口銑刀的價格大概是國產銑刀的10倍，但是考慮到使用壽命以及后期節省的處理成本，采用進口銑刀相對國產銑刀仍具有較大的經濟性優勢。

對比進口銑刀和國產銑刀的刃型結構可見，進口銑刀類似在傳統右旋刃立銑刀的刃上又增加了菱齒，明顯增加了切削刃數，可以顯著降低切削力[3]；同時，螺旋的溝槽設計可以快速地排出切削屑，對減少切削屑對刀具的損傷以及摩擦產熱有一定意義，從而可以進一步提高刀具的使用壽命。

3 結語

本研究簡述了碳纖維增強環氧樹脂基復合材料層壓板的特點，并對層壓板的制作、加工過程及現象進行闡述，重點從加工尺寸和加工毛刺量兩個方面對國產銑刀和進口銑刀進行了量化對比，簡要分析了造成兩種銑刀差異的原因，希望能在一定程度上給國內碳纖維復合材料的加工起到一定借鑒作用。同時，獲得以下觀點和建議：

（1）從加工碳纖維層壓板的全生命周期看，表面鍍金剛石涂層的銑刀雖然一次性購入成本較高，但是加工效率更高，整體經濟性更好，加工質量更穩定。

（2）建議國產銑刀生產廠家，應該加大對碳纖維復合材料加工特點的理論和工程化研究，有針對性地開發出高品質碳纖維復材加工刀具，以改變進口銑刀高價格、長交貨周期的現狀。

（3）建議碳纖維復合材料加工應用廠家在碳纖維復合材料加工工藝參數設置、刀具選型等方面要打破對傳統金屬材料加工的固有認識，充分了解碳纖維復合材料的材質特點和加工差異性，更好地提高碳纖維復材的加工質量和加工效率。