石英纖維增強聚酰亞胺復合材料超低溫銑削實驗

侯 博 謝 潯 崔 超 劉春先 王保林

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

石英纖維增強聚酰亞胺復合材料以其機械性能優良、耐高溫、物理和化學性能穩定等優點，已被廣泛應用在航空航天、國防軍工、電子和微電子等領域［1-2］。隨著石英纖維增強聚酰亞胺復合材料需求量的不斷增大，針對該類材料的加工要求也越來越高，但由于該材料本身的結構和物理性質，采用傳統機械加工方式存在較大問題［3］。例如:復合材料層間剪切強度和拉伸強度很低，且水溶性切削液易破壞復合材料性質，無法使用切削液進行加工冷卻，導致加工中易出現分層、飛邊、毛刺等現象，很大程度上影響了最終加工精度和刀具使用壽命；同時復合材料中的增強體具有較高的硬度、強度，進一步加劇了切削刀具的磨損等。這些問題嚴重制約了這種材料的發展。因此，對石英纖維增強聚酰亞胺復合材料進行高效率、高質量、高精度的加工，成為了國內外學者研究的熱點和難點之一。

目前，這些研究主要集中在采用特種加工方法上，例如:激光加工、電火花加工等［4-6］。特種加工方法可以改善該復合材料加工性能，但是都具有一定的局限性，不適用于石英纖維增強聚酰亞胺復合材料。由于在實際加工中，傳統機械加工依然占主導地位。因此，為了適應材料高精度加工要求，一些學者對現有加工工藝進行了創新。例如:采用以磨代鉆、以磨代銑等［7-9］方法改變現有加工工藝方法和刀具樣式，從而提高刀具耐用度及加工質量。由于石英纖維增強聚酰亞胺復合材料的加工一般采用干切削，加工時產生的切削熱成為影響加工質量的關鍵因素。故少數學者為了突破加工中不能使用切削液的禁錮，選擇對材料性能影響較小的液氮作為冷卻材料，對復合材料超低溫加工進行了研究。

相對于常規干切削，復合材料在超低溫下具有不同的力學性能，導致其切削性能有很大變化。例如Wang Fengbiao 等［10］針對芳綸纖維增強復合材料進行了超低溫加工的實驗研究并優化了切削參數，通過與干切削對比發現，主切削力減小了約15%～20%；切削方式為脆性切削；起毛、燒蝕等缺陷得到了顯著抑制，大幅提高了表面加工質量和加工完整性。Y.H.Zhang［11-12］等研究了聚酰亞胺/二氧化硅混合膜超低溫性能，發現低溫（77 K）下復合材料的拉伸強度和模量明顯高于室溫。同時他們研究了聚酰亞胺-云母復合薄膜，發現當云母含量低于10%時，混合膜的強度和剛度可以同時增加，而在低溫（77 K）下，混合膜的拉伸強度和模量也明顯高于室溫。Tschegg［13］發現，當溫度降至77 K 時，聚酰亞胺的拉伸強度和模量分別增加了40%和60%，但在更低的溫度下沒有進一步的變化。

本文針對石英纖維增強聚酰亞胺材料在常規切削加工中不易斷屑、切削溫度梯度高、毛邊嚴重、加工質量差、效率低下等缺陷，并結合超低溫冷卻纖維增強復合材料加工特點，開展復合材料超低溫銑削加工實驗研究，并比較干銑削和超低溫銑削下的銑削性能，探討低溫加工條件下，刀具耐用度、加工質量提高的原因。

1 實驗

1.1 試樣制備

實驗材料為石英纖維增強聚酷亞胺復合材料，增強體采用QW220 石英纖維布，經向斷裂強力2 320 N/25 mm，緯向斷裂強力2 150 N/25 mm，基體采用KH370聚酰亞胺樹脂，密度1.01 g/cm3。該材料的纖維層厚度為0.2 mm，纖維面密度（160±3）g/cm2，含膠量（44±4）%，鋪層方向按［0°］方向鋪層，試件大小為100 mm×50 mm×20 mm方塊。

1.2 低溫加工方法及實驗裝備機規劃

低溫加工方法即采用低溫流體，如液氮、液態二氧化碳、低溫切削液等使切削過程處于低溫或超低溫狀態，帶走加工時產生的切削熱，從而改善材料可加工性，提高刀具使用壽命及表面質量的加工方法。目前常用的冷卻方法包括:冷風噴射、低溫流體噴射和浸液冷卻三種［14］。由于液氮在常溫環境下會迅速揮發，并帶走大量熱，故本次實驗，以液氮作為低溫流體，采用外噴式冷卻方法冷卻切削區域。低溫液氮供給裝置為北京天海工業公司DPL-175MP型自增壓液氮罐，以DSP芯片為主控制器，建立液氮噴射控制系統，調節液氮噴射量，控制液氮噴口溫度83 K。機床采用KVC850m三軸數控立銑床對材料進行切削實驗，主軸最高轉速8 000 r/min，工作臺行程300 mm×300 mm×200 mm；銑刀采用涂層硬質合金銑刀，直徑6 mm，逆銑加工。采用單因素法，切削參數如表1所示，其中n=1 000、3 000、5 000、7 000 r/min，f=0.07 mm/r，銑削寬度6 mm。

表1 切削參數Tab.1 Parameters of turning processing

1.3 分析設備

石英纖維增強聚酷亞胺復合材料表面形貌測量裝置為VHX-600 型超大景深數碼顯微鏡（分辨率:5 400 萬像素）；表面粗糙度測量裝置為New view 5022 型3D 表面輪廓儀；切削力測量裝置為Kisler 9257 B三相測力儀。

2 結果與討論

2.1 表面形貌

在其他加工參數保持不變的情況下，研究了普通干銑削方式和低溫銑削方式中主軸轉速對表面形貌產生的影響。銑削速度從1 000 r/min 增加到5 000 r/min，普通干銑削后的表面形貌如圖1所示，當主軸轉速較低時，工件表面存在起毛現象，可推斷石英纖維斷屑方式為拉扯斷裂，而未被刀刃有效切斷［圖1（a）］；隨轉速的提高，纖維起毛未有效切斷缺陷得到抑制，但仍能分辨出復合材料的鋪層結構，表面光滑質量有所提高［圖1（b）、（c）］。但在4 000 r/min 時可聞到燒焦的氣味，切削表面有燒蝕現象出現［圖1（d）中方框］。尤其在5 000 r/min 時，燒蝕點增加，燒蝕現象更加明顯，如圖1（e）中方框所示。

在低溫銑削工況下，加工表面質量有很大改觀，表面起毛現象較少，由此可見，纖維斷裂方式由拉扯斷裂轉變為切削斷裂［圖2（a）～（c）］。進一步提高主軸轉速后，切削表面變得更加光整，纖維的拉扯斷裂現象得到了進一步抑制，如圖2（d）和（e）所示；同時未在工件表面發現明顯燒蝕點，即干切削下的燒蝕缺陷得到了有效抑制。

圖1 干銑削表面形貌Fig.1 The surface morphology of traditional milling

圖2 超低溫銑削表面形貌Fig.2 The surface morphology of cryogenic cooling milling

2.2 表面粗糙度

主軸轉速與表面粗糙度的關系見圖3、圖4。

圖3 不同冷卻條件下銑削速度對粗糙度的影響Fig.3 Influence of spindle speed on roughness

圖4 不同冷卻條件下銑削深度對粗糙度的影響Fig.4 Influence of cutting depth on roughness

普通干銑削時，隨著主軸轉速增大，表面粗糙度值減小，但高速時（5 000 r/min），表面粗糙度值反而增大，說明高速切削時溫度相對較高，影響到了表面粗糙度變化趨勢。而低溫銑削時，即使在高速加工條件下，粗糙度均小于普通干銑削，這是由于在低溫條件下，復合材料的變形與摩擦力較小，同時液氮可以滲透到切削區域，使切削溫度得到了有效抑制，使表面質量得到了改善。

主軸轉速3 000 r/min 時，表面粗糙度隨切深的增加都呈先降低后增大趨勢，這是由于銑削深度較小時，切削產生的切削力無法有效切斷石英纖維，在切削過程中，出現了纖維避讓刀具刃口現象；而隨著銑削深度的增加，切削力增大，纖維被有效切斷，起毛現象得到了抑制，因此表面粗糙度降低。但隨著切削深度的進一步增大，所產生的切削熱也相應增加，復合材料的變形與摩擦力變大，且當切削力等于或大于石英纖維層間結合力時時，加工點處將產生切斷殘留的毛邊，導致表面粗糙度增大。銑削深度與表面粗糙度的關系如圖4所示:在其他加工參數一致的前提下，銑削深度為1.27 mm（低溫銑削）和1.31 mm（普通干銑削）時，工件表面粗糙度為最小值，分別為0.51和0.83μm（“*”點）。

2.3 刀具磨損

刀具磨損曲線如圖5所示，普通干銑削和低溫銑削加工時，涂層硬質合金刀具在三種不同切削速度下的磨損曲線變化趨勢類似，可以看出，隨著速度的增加，刀具壽命均明顯降低。在切削速度為1 000 r/min時，刀具的磨損過程中有明顯的平穩磨損階段；當切削速度進一步提高（3 000，5 000 r/min），刀具的平均磨損量VB與切削時間近似呈成線性關系，無平穩磨損階段。

圖5 刀具磨損行為Fig.5 Tool wear behavior

在切削速度為1 000 r/min 時，采用普通干銑削，在0～15 min 內，刀具處于初始磨損階段，刀具磨損量隨著加工時間的增加而快速增加，磨損量達到0.1 mm；在15～40 min 內，刀具處于平穩磨損階段，刀具磨損量較小；在加工40 min 后，刀具磨損量快速增加，進入急劇磨損階段。而采用低溫銑削時，刀具處于初始磨損階段的加工時長約為40 min（磨損量≈0.1 mm），隨即進入平穩磨損階段（磨損量＜0.1 mm；當加工時長達到90 min 后，刀具進入急劇磨損階段。由此可見，低溫加工環境可抑制由于切削熱所引起的刀具磨損；同時液氮對加工過程起到潤滑作用，可減緩刀具磨損。尤其是為獲得較好的表面粗糙度而采用高速銑削時，采用低溫銑削可使刀具的壽命提升2～3倍。

3.4 銑削力

采用瑞士Kisler9257 B 三相測力儀測量切削點處三個方向上的切削分力，如圖6所示，其中包括:進給力Fx、主切削力Fy和背向力Fz。

圖6 銑削力模型Fig.6 Milling model

切削力與轉速關系如圖7（a）所示，采用相同切削用量、不同轉速的兩種工況下，主切削力都隨轉速的增加而下降，且下降趨勢明顯；相同轉速時，超低溫冷卻條件下的主切削力明顯要高于普通干銑削時產生的切削力，最高可達30 N；但采用高速銑削時，主切削力又趨于接近；普通干銑削時，切削力在3 000～4 000 r/min 時下降趨勢減緩，而后又急速下降。這是由于采用高轉速加工時，聚酰亞胺切屑在切削熱作用下，粘結至銑刀的后刀面上，導致刀具切削能力下降，無法有效切斷纖維，部分纖維的斷裂方式轉為拉扯斷裂，影響了主切削力，同時相對地降低了切削表面微區所承受的載荷。

由圖7（b）可看出，在兩種工況下，進給力也隨轉速升高而減小，且后期減弱趨勢緩慢，同時超低溫冷卻進給力較干銑削力較高，原因在于超低溫工況條件下復合材料強度升高（表2），導致加工中將承受更大進給擠壓阻力。對于背向力［圖7（c）］，高速干銑削產生的背向力竟超過了超低溫冷卻加工。這是由于在高速干銑削時，切削微區高溫升引起的熔化的黏結劑粘連到后刀面形成鈍化層，加速增大了刀刃軸向阻力；粘結層不斷增長，當達到一定厚度后，呈穩定狀態，導致背向力增長后又呈現平穩態勢。

圖7 干銑削和超低溫銑削主銑削力Fig.7 Milling force of dry cutting and cryogenic cutting

表2 不同溫度下的材料性能［11，12-13］Tab.2 Composite properties in different temperature

綜上所述，采用低溫銑削后的工件表面質量，刀具壽命均優于普通干銑削，其原因可如下。

（1）根據上述對切削力的分析，刀具磨損的主要形式為硬質點磨損和粘結磨損，由于石英纖維的高強度、高硬度特點，纖維會產生硬質點研磨刀具的效果；加之石英纖維增強聚酰亞胺復合材料導熱性極差，銑削過程中會產生大量切削熱，使黏結劑粘結至刀具表面，造成刀具粘結磨損。而超低溫冷卻介質能夠瞬間帶走切削微區切削熱，引起切削區溫度急速下降，聚酰亞胺黏結劑很難再像干銑削出現熔化現象，切削刃及后刀面的鈍化現象得到抑制，同時刀具耐用度得到提高。

（2）與常溫環境相比，超低溫冷卻工況下，復合材料彈性模量以及脆性較大，導致纖維的切斷方式由彈塑性變形的拉斷切削方式轉變為脆性剪斷切削方式；同時復合材料的拉伸強度大幅增加，導致加工過程中切削力增大，彌補了普通干銑削中切削力不足的現象；在超低溫作用下，黏結劑和纖維受低溫影響，材料收縮產生的內應力使材料抗切削強度增大，從而提高了加工表面質量。

（3）復合材料斷裂伸長率由常溫293 K 時的12%減少到低溫時的8%（表2），在低溫條件下，降低了纖維伸長性能，同時石英纖維瞬間受載荷能力得到了增強，纖維自動避讓性能降低，加工表面毛刺缺陷被有效抑制。

3 結論

（1）相對于干銑削，不同切削速度下超低溫冷卻銑削有效抑制了低速干銑削纖維起毛、高速干銑削粘接劑燒蝕缺陷，表面質量都得到改善，刀具耐用度得到提高。

（2）表面粗糙度隨切深的增加都呈先降低后增大趨勢，切深分別達到1.27（低溫銑削）和1.31 mm（普通干銑削）時可使粗糙度達到0.51 和0.83 μm，分別為兩種加工方式下的最小值。

（3）超低溫冷卻引起的復合材料切削力增大，纖維斷屑方式由拉斷切削方式向脆性剪斷切削方式的改變以及切削熱的有效降低是提高加工質量的主要原因。