左右旋波齿铣刀加工复合材料的切削性能研究_叶友权.pdf

第1期机电技术机电技术左右旋波齿铣刀加工复合材料的切削性能研究左右旋波齿铣刀加工复合材料的切削性能研究*叶友权（厦门金鹭特种合金有限公司，福建 厦门 361100）摘要文章设计了一种聚晶金刚石（PCD）左右旋波齿铣刀，设立了直刃无波齿铣刀作为对照组，并进行了相同切削参数下的磨损试验，研究了左右旋波齿铣刀对碳纤维增强复合材料（CFRP）的加工性能。试验结果表明：左右旋波齿铣刀的主切削力更小；左右旋波齿铣刀切断CFRP产生的毛刺较少，而直刃无波齿铣刀加工的表面毛刺较多；随着铣刀切削距离的增长，左右旋波齿铣刀比直刃无波齿铣刀有着更少的刃口磨损。关键词碳纤维增强复合材料；波齿铣刀；切削力；表面质量；刀具磨损中图分类号：TG714；TB332文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）01-047-05DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.01.013*厦门市重大科技项目（3502Z20201011）作者简介：叶友权（1988），男，工程师，主要从事整体硬质合金刀具的研发设计工作。碳纤维增强复合材料（CFRP）是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。因其具有高比强度和比模量、耐高温、抗腐蚀性强等优点，被广泛应用于汽车、航空航天和高端装备等领域1-2。碳纤维增强复合材料是一种典型的难加工材料，在切削过程中容易出现纤维拉出或基质纤维的脱离，从而导致毛刺或纤维撕裂等加工缺陷，严重影响工件的加工质量和刀具的寿命。因此，合理选择刀具材料、优化加工刀具的结构和参数以提高CFRP的加工质量就显得尤为重要。目前切削碳纤维增强复合材料的刀具材料多采用硬质合金、化学气相沉积（CVD）金刚石涂层、聚晶金刚石（PCD）涂层和立方氮化硼（CBN）涂层等超硬材料。很多研究者发现PCD刀具具有优秀的耐磨性，韧性和抗冲击性能适中，且导热系数高，容易散热，切削热量不会聚集在刀尖处导致刀尖失效，适合用于高速加工 CFRP这种非金属耐磨材料、难加工材料3-4。目前也有很多关于PCD刀具加工 CFRP的深入研究。在刀具磨损方面，PCD刀具的磨损主要形式是颗粒剥落、崩刃与微崩刃以及剥落，相比于其他刀具材料，PCD刀具要优于其他陶瓷、CBN等材料刀具，且更适合应用于精加工5-6。由于 CFRP 材料各向异性、层间强度低和非均质等独特材料属性，合理设计切削刀具的结构以及选用合适的切削参数对于保证CFRP加工质量就显得格外重要。一方面，学者们不断探究切削参数对于CFRP加工性能以及表面质量的影响和规律。为了获得良好的表面质量，应采用高切削速度、低进给速度和低切削深度7-8。另一方面，切削刀具的几何参数以及新型切削刀具结构的设计与优化也是研究者们的研究重点，如人字齿铣刀、菱形铣刀等。这些新型刀具齿数较多同时又具有左右旋切削刃，相对于传统刀具具有更加优异的加工性能，交错型铣刀和人字形铣刀加工工件表面时可有效抑制毛刺缺陷，鱼鳞铣刀将连续的长切削刃离散为微小刀刃，减小切削力，大大提高了加工效率和刀具寿命9-12。本文提出一种新结构复合材料加工铣刀，采用硬质合金作为刀体，并在刀体上磨削出4刃直槽，左右旋波齿的PCD刀片钎焊在直槽刃口处，同时设立直刃无波齿PCD刀片铣刀作为对照组。通过相同切削参数下的对照磨损试验研究新型左右旋结构铣刀的切削性能，包括切削力、工件表面质量和刀具磨损形貌。1实验刀具铣刀基体材料选用硬质合金，其性能参数如表1所示。铣刀采用四刃直槽的设计，增大了切削时的阻力，硬质合金刀具磨损速度更快。因此用硬质合金片作为连接载体，在直槽刃口上钎焊PCD刀片，并通过激光加工的方法，在PCD刀片上加工出波形齿的形貌。四个切削刃上的波形齿尺寸是一致的，但是不同切削刃上的波形齿旋向不472023年1月机电技术机电技术同，分别为左旋45和右旋45，四个PCD刀片的波齿旋向为左旋/右旋/左旋/右旋，每个PCD刀片上波齿数量为15个，如图1所示。铣刀在切削复合材料时，产生的轴向力大于复合材料的层间强度时，会导致分层现象或抽丝现象，铣刀的PCD刀片采用左右旋波齿结构，可以有效避免分层和抽丝现象。表表1 1硬质合金材料性能参数硬质合金材料性能参数国标牌号YM10晶粒度/m0.8钴含量/%10.3抗弯强度/（N/mm2）3500硬度HRA91.7密度/（g/cm3）14.40CFRP材料的导热系数低，切削热聚集在刃口上，而且采用干切加工，刃口更容易磨损。减少切削热的一种有效方法是将切削刃变短、变多，通过激光加工一款左右旋波齿铣刀，铣刀实际的切削刃是螺旋波齿上的45斜刃，而不是PCD刀片前刀面的波浪形切削刃，这种波齿设计变相的将长切削刃，变成多个小切削刃，不仅使切削刃锋利，而且也加大了总刃长，可以有效的切削碳纤维复合材料，而且大大降低了切削阻力。左右旋波齿铣刀的实际前刀面在波齿沟槽里面，通过设计大刀具前角的沟槽形状，可以提供更大的容屑空间。后刀面在波齿顶部，是一个复合后角，既保证了实际切削刃的后角设计，亦保证了直槽的后角设计。左右旋波齿铣刀的左旋45切削刃和右旋45切削刃是铣刀圆柱体上的最高点，形成的切削面积可以达到连续切削的效果，从而实现 CFRP材料的有效去除，也保证了工件表面的质量。同时设计了一款四刃直齿PCD铣刀作对照试验，只在刃口上钎焊PCD刀片，未使用激光加工出左右旋波齿。铣刀的主要结构参数如表2所示。表表2 2铣刀的主要结构参数铣刀的主要结构参数铣刀名称左右旋波齿铣刀直刃无波齿铣刀刃径/mm88刃数Z/个44刃长/mm1515径向前角/70后角/复合后角12PCD波齿刀片左旋刃口切削刃45前刀面后刀面PCD波齿刀片右旋刃口切削刃45后刀面前刀面图图1 1PCDPCD波齿铣刀的左右旋设计波齿铣刀的左右旋设计2试验设备和板材采用碳纤维增强复合材料 T800作为试验板材，尺寸为 300 mm 200 mm 5 mm，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500 MPa以上，是钢的 79倍，但是比重不到钢的 1/4，抗拉弹性模量为2300043000 MPa亦高于钢13。试验机床选用加工中心富裕QP2033。铣刀在工件板厚方向透切，切深即为板厚5 mm，采用顺铣和侧铣走刀方式，切宽为1 mm，直槽刃口垂直于碳纤维排布方向。查阅相关文献，提高切削速度，减小进给速度可以获得较好的加工表面质量，铣削试验参数如表3所示，铣削试验装置如图2所示。Kistler 9255C 测力仪CFRP图图2 2铣削试验装置铣削试验装置为了获得刀具的切削力，实验采用 Kistler9255C 型测力仪采集切削力信号，采样频率为20000 Hz，并通过 5080A 电荷放大器和数据采集卡，将采集到的信号传输到PC。为了验证两种铣刀切削性能，设计在相同切削参数下的长距离切削磨损试验，在切削长度为1 m、2 m、3 m、4 m和6 m48第1期时，采用基恩士VHX-5000型超景深显微镜，观察CFRP材料表面的毛刺和侧面的样貌，以及刀具磨损情况。表表3 3铣削试验参数铣削试验参数项目主轴转速n/（r/min）切削速度Vc/（m/min）进给速度Vf/（mm/r）切深ap/mm切宽ae/mm参数值130003260.05513结果与分析3.1刀具切削力分析在铣削过程中利用Kistler 9255C型测力仪采集两款铣刀的切削力，将采集到的切削力进行低通滤波为3000 Hz，取加工过程中稳定铣削阶段的平均切削力，并对两款铣刀的切削力进行比对分析。切削力方向如图3所示，Fx是进给力，Fy是主切削力，Fz是轴向力。图4是两款铣刀在三个方向的平均切削力，对比两者的进给力，两者相差不多。在主切削力方向，左右旋波齿铣刀的切削力比直刃无波齿铣刀的切削力小，左右旋波齿铣刀的铣刀将长切削刃变成更锋利、更短的切削刃，切削阻力相对于直刃无波齿铣刀变得更小，使得切削CFRP更加容易。其次，左右旋波齿的设计，与直刃无波齿铣刀相比，螺旋角越大，切削阻力也会更小，因为刀具的切削力会沿着径向和轴向分解，转向进给方向FxFyFz图图3 3切削力坐标系切削力坐标系32.89845.984123.38140.363.26230.486020406080100120140160直刃无波齿铣刀切削力/N左右旋波齿铣刀 Fx Fy Fz图图4 4两款铣刀的切削力对比两款铣刀的切削力对比所以对比两款刀具的轴向力，左右旋波齿铣刀的轴向力比直刃无波齿铣刀的更大。3.2工件表面质量分析通过基恩士 VHX-5000型超景深显微镜，采集铣削后碳纤维的表面质量，如表4所示，分别是切削距离为1 m和4 m时工件侧面、工件上表面和工件下表面的形貌图。对比左右旋波齿铣刀和直刃无波齿铣刀，左右旋波齿铣刀有着更好的工件侧面表面形貌，直刃无波齿铣刀铣削后的表面粗糙，有明显的竖纹存在。在上、下表面形貌上，随着切削距离的增加，刀具磨损也在增加，在两款铣刀切削4 m后，直刃无波齿铣刀出现了明显的毛刺情况，甚至是拉丝的现象，而左右旋波齿铣刀的上表面几乎无毛刺产生，下表面的毛刺控制情况也较为良好。左右旋波齿铣刀的左右旋切削刃更短也更锋利，可以有效的切断CFRP材料，而直刃无波齿铣刀的螺旋角为0，不锋利的切削刃在加工碳纤维材料时，更大的切削力将产生更多的切削热，使得碳纤维之间的树脂结合剂融化的更快，导致碳纤维失去支撑，铣削后容易产生拉丝的现象。同时，较小前角的直刃无波齿铣刀本身也无法有效切断碳纤维材质，导致工件侧面出现竖纹。在切削4 m碳纤维板后，直刃无波齿铣刀已无法再进行有效切削，而左右旋波齿铣刀有着更为良好的刀具寿命。表表4 4两种铣刀在不同切削距离下的两种铣刀在不同切削距离下的上上、下表面和工件侧面质量下表面和工件侧面质量切削距离1 m4 m铣刀工件侧面上表面下表面工件侧面上表面下表面左右旋波齿铣刀直刃无波齿铣刀3.3刀具磨损形貌分析通过基恩士 VHX-5000型超景深显微镜，采叶友权：左右旋波齿铣刀加工复合材料的切削性能研究492023年1月机电技术机电技术集铣削2 m、4 m和6 m后铣刀的表面质量，如表5和表6所示，分别是左右旋波齿铣刀的磨损形貌，以及直刃无波齿铣刀的磨损形貌。左旋波齿和右旋波齿刀具的实际切削刃为45的斜刃，铣刀的实际前角也变为波齿上的前角，可以通过设计波齿的形状，使左右旋铣刀变得更锋利，碳纤维的切屑都为粉末状，左右旋波齿的设计也提供了更大的容屑空间，不容易产生堵屑现象。通过对比左右旋波齿铣刀和直刃无波齿铣刀的磨损形貌，在切削距离为 6 m 时，左右旋波齿铣刀的切削刃仍可维持锋利性，主要从两方面减少了刃口磨损：一是左右旋波齿铣刀锋利的刃口，更小的切削力会产生更小的切削热；二是更大的容屑空间，使切屑不会粘在刃口上加剧刃口磨损。在切削距离为4 m时，直刃无波齿铣刀刃口的磨损较为严重，这是由于不锋利的刃口有着更大的切削阻力，导致刃口更容易崩缺，工件材料的拉丝现象比较严重，与上文中的工件表面质量分析一致。表表5 5左右旋波齿铣刀磨损形貌左右旋波齿铣刀磨损形貌切削距离2 m4 m6 m左右旋波齿铣刀（左旋刃）左右旋波齿铣刀（右旋刃）表表6 6无波齿直刃铣刀磨损形貌无波齿直刃铣刀磨损形貌切削距离2 m4 m直刃无波齿铣刀（前刀面）直刃无波齿铣刀（后刀面）4结论本文设计了一种PCD左右旋波齿铣刀，将直刃无波齿铣刀作为参照组，通过铣削T800复合材料，对比铣刀切削力，观察复合材料的上、下表面毛刺情况以及刀具的磨损样貌可以得出如下结论：1）两款铣刀在铣削CFRP时，PCD左右旋波齿铣刀的主切削力比直刃无波齿铣刀小，左右旋波齿铣刀的实际切削刃在左右旋波齿刃口上，45偏转角度的左右旋切削刃更锋利，切削阻力相对于直刃无波齿铣刀变得更小。2）观察两款铣刀加工后 CFRP 的表面质量，在长切削距离下左右旋波齿铣刀加工 CFRP时，具有更好的加工表面质量。刃口的磨损或者导致切削刃变钝，不能有效的切断碳纤维，导致毛刺增多，左右旋波齿铣刀比直刃无波齿铣刀具有更长的刀具寿命。3）对比两种的铣刀在切削 CFRP 时，直刃无波