芳綸纖維材料低溫冷卻車削加工性能

侯 博 李蘭柱 郭鴻俊 王保林 楊志波

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 芳綸纖維復合材料在傳統車削加工中易出現嚴重起毛和高溫燒蝕等缺陷。為了提高其切削性能，采用液氮作為低溫冷卻媒介進行車削加工試驗，并對材料的干車削及低溫車削試驗結果進行了分析，對液氮低溫車削機理進行了探討。結果表明，隨著主軸轉速的增加，材料表面質量得到一定改善，特別是在1 340 r/min 時得到了最佳表面；在低溫車削中，在各種轉速條件下，材料表面質量都較好；在相同的主軸轉速下，低溫車削表面質量都好于干車削，且纖維起毛、高溫燒蝕被有效抑制。說明降低切削溫度對芳綸纖維材料車削缺陷的改善有積極作用。

0 引言

芳綸纖維增強復合材料以其高比強度、比模量和電磁性能優良等優點［1-2］，被廣泛應用于武器裝甲、汽車制造、航空航天等領域。尤其在航空航天領域，該種復合材料的用量比例已成為衡量軍用裝備先進性的重要指標［3］，并已成為一種發展趨勢。芳綸纖維增強復合材料具有非均勻性、多相結構以及各向異性，導致在傳統機械加工中材料的去除方式比較復雜［4-5］。鑒于該種材料的難加工性質以及在加工中產生各類缺陷，如起毛、燒蝕、分層等，致使傳統機械加工很難獲得理想化表面，嚴重影響了該類材料在相關型號的應用。

目前對該材料缺陷形成機制和低損傷加工工藝研究已成為熱點。A.R.Bunsell等發現Kevlar芳綸纖維復合材料的纖維在加工過程中，在拉力的作用下經塑性變形后斷裂，故斷裂方式主要為拉伸斷裂或彎曲斷裂，這是形成毛邊現象的主要原因［6］。S.C.Kim 等研究了Kevlar 芳綸纖維復合材料機械加工過程中的層間斷裂韌性，發現Kevlar 芳綸纖維復合材料各層之間的粘結性能較差，加工中的切削熱導致層間粘結性能進一步惡化，易產生毛邊及分層現象［7］。

由于在實際加工中，傳統機械加工依然占主導地位。因此，為使傳統機械加工中的Kevlar 芳綸纖維以剪切方式斷裂，并降低加工溫度，保持層間粘結性能，減少毛邊和分層現象，少數學者對復合材料超低溫加工進行了研究。D.Bhattacharyya 等改進了鉆削刀具結構，并對Kevlar 芳綸纖維復合材料進行液氮外噴淋式冷卻鉆孔加工。研究表明，超低溫下鉆削軸向力增加明顯，材料加工表面質量有所提高，刀具磨損缺陷得到有效抑制［8］。K.L.Wiggins 等在試驗中將復合材料樣件分別浸泡在不同溫度空氣、冰水、干冰和液氮中，并進行切削加工，發現隨著溫度降低所需切削能量均降低近3倍，同時發現超低溫液氮的應用可以有效降低切削力，提高切削效率和加工質量［9］。G.Hartwig 研究了在液氮冷卻條件下，車削Kevlar 芳綸纖維復合材料的可加工性［10］。研究表明，在車削過程中采用液氮噴射降溫，加工表面粗糙度、切削力、刀具磨損較小。

綜上，在液氮低溫冷卻加工條件下，可減少芳綸纖維復合材料加工缺陷和提高加工質量。而通過液氮噴淋方式，可有效提高液氮利用率并可對零件復雜內部和表面進行加工。因此，本文從芳綸纖維增強復合材料的微觀結構、低溫條件對其切削性能的影響進行分析，并探討降低車削缺陷和提高加工工藝質量的原因。

1 實驗

1.1 試樣制備

實驗試樣為國產Kevlar-49 纖維和環氧樹脂基體增強的芳綸纖維復合材料，將其加工成若干150 mm×50 mm×35 mm矩形，并對矩形試樣進行編號。

1.2 加工設備及參數

車削實驗在車床CK6145 上進行。加工的最大速度為1 450 r/min，x方向的行程為800 mm，z為300 mm。主軸轉速n分別設為640、870、1120、1340 和1 450 r/min。詳細的工藝參數如表1所示。采用CBN刀片的機夾式車刀對試件進行加工。

表1 車削加工參數Tab.1 Parameters of turning processing

1.3 液氮供給裝置

如圖1（a）所示，基于工件結構特點，采用端面車削；采用內冷刀具裝置輸出液氮，并對車削力進行模型分解：切向力Fx、進給力Fy和主切削力Fz；采用加壓液氮罐（Gelan YDZ-175，Shang Hai）提供低溫液氮；利用自行設計的液氮控制系統，精確控制液氮噴嘴溫度293、253、203、153、103 K，如圖1（b）所示。液氮介質冷卻切削時，需對工件進行預冷。

圖1 車削模型Fig.1 Cutting model

1.4 其他分析設備

采用3D 曲面輪廓儀（ZYGO New view5022，USA）測量加工表面粗糙度，該設備垂直分辨率為0.1 nm、水平分辨率為110 nm、掃描深度為2～150 μm；采用三維表面Ra值對其粗糙度進行評價；使用超深顯微鏡（KEYENCE VHX- 600，Japan）測量試樣表面形貌，分辨率為5 400 萬像素；采用三相測力儀（Kisler9257B，Swiss）測量切削點的切削力。

2 結果與討論

2.1 切割層表面形態

加工表面微觀形貌如圖2所示。由圖2（a）、（b）可以看出，在低速和干車削中，車削表面質量較差，部分纖維未被完全切斷，可以推測纖維是被拉斷而不是被刀片切斷。隨著轉速的增加，車削表面變得光滑平整，起毛現象得到一定改善，已經很難看到明顯的纖維層。隨著速度的進一步提高，車削面出現燒蝕現象［圖2（c）］，纖維燒蝕的氣味被聞到。進一步提高車削速度時，雖然局部表面光滑，但這種燒蝕現象更加明顯，燒蝕點增加，如圖2（d）紅色圓圈所示。

在低溫車削條件下，采用較低的車削速度，加工后的表面微觀形貌如圖2（e）和（f）所示，盡管存在少量的分離纖維，但與干車削相比，表面質量已經有了較大的改善，分離的纖維脈絡已經很難被發現。當進一步提高轉速后，加工后的表面微觀形貌如圖2（g）和（h）所示，難以區分纖維層和粘結層，說明纖維未被單獨分離，同時切削面變得更加光滑完整，纖維在高速車削過程中沒有燒焦的氣味，抑制了纖維燒蝕缺陷。

圖2 加工表面微觀形貌Fig.2 Surface morphology of different spindle speeds for dry cutting and cryogenic cutting

2.2 表面粗糙度分析

為研究切削速度對芳綸纖維復合材料加工表面粗糙度的影響，在不同冷卻條件下（293、253、203、153、103 K），保持其他參數不變，分別取：進給量為0.05 mm/r，切削深度為1.2 mm。試驗時，主軸轉速分別取640、870、1 120、1 340和1 450 r/min。

圖3為不同冷卻條件下轉速對芳綸纖維復合材料加工表面粗糙度Ra的影響曲線。隨著轉速的增加，不同冷卻條件下的表面粗糙度均變小。當冷卻條件為293、253 K 時，在1 340 r/min 速度下，可得到最小粗糙度值；當轉速增至1 450 r/min 時，表面粗糙度有增大趨勢。其主要原因是由于切削速度的提高引起瞬時較高的切削熱，同時由于復合材料低的導熱性能，導致樹脂高溫融化并粘在刀具后刀面上。同時切削微區的部分融化樹脂被刀具帶走，不可避免在切削微區形成凹坑［圖2（c）、（d）］，成為燒蝕點，加工表面質量受到影響。

當冷卻條件為203、153、103 K 時，表面粗糙度隨著主軸轉速的增加而減小，并逐漸趨于穩定值，未出現隨著轉速的進一步提高表面粗糙度下降的現象。這是由于超低溫車削時液氮帶走了車削過程產生的大部分熱量，使切削區域溫度降低，避免了樹脂融化對表面粗糙度的影響。

圖3 不同主軸轉速下表面粗糙度Fig.3 Surface roughnesses of different spindle speeds

切削深度ap是影響加工質量的一個因素，為研究不同冷卻條件下，ap對芳綸纖維復合材料加工表面粗糙度的影響，加工過程中保持其他參數不變，取轉速1 120 r/min，進給量為0.05 mm/r，切削深度分別取0.4、1.2、1.6、2.0 mm，在冷卻溫度：293、103 K 下進行車削，并對車削表面粗糙度進行測量。圖4為不同冷卻條件下切削深度ap對芳綸纖維復合材料加工表面粗糙度Ra的影響曲線。可以看出，隨切削深度的增加，二者的Ra都呈先降低后增大的趨勢。該現象主要與纖維的切削特性有關，當切削深度較小時，切削產生的切削力也很小，達不到纖維剝離的有效切斷力，導致纖維出現避讓現象，未被有效切除；隨著切削深度的增大，切削力也相應增大，纖維避讓現象減小，因此加工表面質量良好。但當切削力達到或超過纖維粘結點最大壓縮強度時，表面毛邊又增多，質量又下降。

圖4 不同切削深度下表面粗糙度（n=1 120 r/min）Fig.4 Surface roughnesses of different cutting depths（n=1 120 r/min）

2.3 切削力分析

圖5是不同冷卻條件下（293，103 K），轉速對切削力的影響曲線。如圖5（a）所示，干車削產生的主切削力Fz明顯小于低溫車削所產生的主切削力Fz，這說明在低溫環境下，芳綸纖維的強度和樹脂基體的硬度均得到了提升，導致主切削力明顯提升。隨著轉速的增加，主切削力Fz均呈下降趨勢。在干車削條件下，主切削力Fz在1 340 r/min后下降趨勢有所放緩。可以認為，樹脂基體在微區瞬時切削熱量的作用下，以較高的速度融化，并粘結在刀刃上。這導致刀刃鈍性和纖維切削缺陷增強，因此切削阻力增大，減少趨勢減慢。而低溫條件下的主切削力Fz的降速明顯降低，特別是在1 340 r/min 時，甚至下降了28%。這是由于在低溫環境下，切削區域的溫度較低，無法使樹脂基體軟化并粘結在刀具上，保持了刀具鋒利度。

背向力Fx的變化趨勢如圖5（b）所示，干車削所產生的背向力Fx存在先增加后減小的趨勢（1 120～1 340 r/min）。原因同理，主要是由于高速切削微區高溫導致樹脂基體軟化，并形成的熔融粘結膠，在刀具上形成一個粘結層，增加了軸向阻力，使背向力Fx有增強趨勢。受粘結力和刀具運動的影響，當達到一定厚度時，粘結層的增厚速度減慢，則背向力Fx又降低。但低溫切削時，隨著主軸轉速的增加，背向力Fx一直呈減小趨勢，且近呈線性下降，背向力Fx近減少了2 倍。此外，從圖5（c）可以看出，在兩種加工過程中，進給力Fy隨轉速增加而減小，干車削條件下的進給力Fy略大于低溫環境所產生的力。

圖6為不同冷卻條件下（293，103 K），銑削力隨著切深的變化趨勢，可以看出三個方向切削分力均增加，這是由于切削深度增加，單位時間內芳綸纖維復合材料被切削量增大，消耗功率必然增加，切削力增加。同時切削深度增加，刀刃與工件接觸面積增加，由于切削深度不影響變形和摩擦因數，故切削力近呈線性變化。切削力增加導致切削區溫度變化，復合材料軟化程度增加，部分纖維會產生拉伸斷裂，故切削力增加。

圖5 干切削和超低溫下銑削力（不同轉速）Fig.5 Cutting forces of dry cutting and cryogenic cutting（different spindle speeds）

綜上所述，芳綸纖維復合材料的多相結構及各向異性，導致其車削過程中易產生毛邊、撕裂、熱損傷等加工缺陷。而在車削過程中采用液氮噴淋降溫，可有效提高車削表面質量，通過對切割層表面形態、表面粗糙度、切削力分析，表面質量提高原因可從如下方面進行探討。

圖6 干切削和超低溫下銑削力（不同切削深度）Fig.6 Cutting forces of dry cutting and cryogenic cutting（different cutting depths）

（1）根據上述低溫實驗以及復合材料性能比較，溫度變化對纖維的影響不大，對樹脂基體的強度和模量影響較大。由于低溫下樹脂基體強度的增加，增加了纖維的支撐力，降低了芳綸纖維彎曲變形的機會，致使部分纖維材料的斷裂方式由彎曲斷裂轉化為剪切斷裂，故在低溫下毛邊、撕裂缺陷減少，表面加工質量提高。

（2）在液氮冷卻條件下，由于樹脂基體（80～100×10-6/K）和纖維（橫向50×10-6/K、軸向-4×10-6/K）分別具有不同的熱導率和熱脹系數［11-13］，材料內部會因溫度變化而產生壓應力，使復合材料內部結合力增加，引起加工過程中界面破壞程度降低。

（3）復合材料的彈性模量隨著溫度的急速下降而增大，如表2所示，芳綸復合材料在車削過程中的脆性增加，切削方式由彈塑性變形拉斷方式轉變為脆性剪斷方式。同時，由于低溫氣液混合物可以快速去除微區切削熱，有效降低切削溫度，樹脂基體的融化粘接現象得到了抑制，提高了刀具耐用度，加工表面質量相對提高。

表2 復合材料室溫和低溫性能的比較［11-13］Tab.2 Comparison of the performance of composite materials at normal temperatures and low temperatures

3 結論

（1）在不同車削條件下，隨著速度的增加，芳綸纖維復合材料的表面質量均得到改善。在低溫車削中，切削速度越大，表面質量越好；在同一速度下，低溫切削表面質量更好。在不同的切削深度下，切削深度越小或越大，表面質量越差。

（2）在兩種車削條件下，在較高的速度下，主切削力在下降，而低溫車削則更為明顯。在相同的速度下，低溫的力比干車削力要低。

（3）切削溫度的降低，導致纖維切斷方式由拉斷改為切斷，因此，降低切削溫度對芳綸纖維材料車削缺陷的改善有積極作用。