纖維方向角對超低溫冷卻石英纖維復合材料銑削性能的影響

謝 潯 侯 博 郭鴻俊 劉春先 王鳳彪

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 大連交通大學，大連 116028）

文 摘 石英增強聚酰亞胺樹脂基復合材料是一種非均勻的各向異性材料，其加工性能高度依賴于纖維鋪層方向與加工進給方向所成角度，即纖維方向角。本文通過一系列不同纖維方向角的干切削和超低溫冷卻銑削實驗，研究了纖維方向角對表面形貌、表面粗糙度、銑削力及刀具磨損的影響。結(jié)果表明：不同纖維方向角，剪應力形式不同，切削斷屑形式也不同。纖維方向角為銳角時銑削表面質(zhì)量均良好，但當纖維方向角增大到90°時，切削表面質(zhì)量下降，切削力變化幅度增大。相同銑削時間內(nèi)，在干切削工況下，刀具磨損嚴重，涂層脫落面積約為測量面積的70%；而在低溫切削工況下，涂層未遭到嚴重破壞，刀具仍處于穩(wěn)定磨損階段，刀具耐用度優(yōu)于干切削工況。

0 引言

石英纖維增強聚酰亞胺復合材料具有良好的機械性能、耐高低溫、物理和化學性能穩(wěn)定，應用于如航空航天結(jié)構(gòu)件、雷達天線罩等耐高溫、高介電要求的場合［1-4］。但該類材料是一種非均勻的各向異性材料，均質(zhì)金屬的切削理論對其不再適用，不同纖維方向應力-應變不同，導致其加工性能高度依賴于纖維鋪層方向與加工進給方向所成角度，即纖維方向角［5-6］；且為保護復合材料性質(zhì)不被破壞，無法使用切削液進行加工冷卻，導致切削加工中損傷難以控制，嚴重制約了該材料的應用。

針對上述纖維方向角對加工影響問題，國內(nèi)外研究學者進行了相關(guān)研究，如ZHANG 等［7］在進行加工樹脂基芳綸纖維增強復合材料時，發(fā)現(xiàn)纖維增強材料的鋪層方向角對復合材料的加工性能產(chǎn)生較大影響。BHATNACAR 等［8］提出了一種纖維增強塑料切削力預測模型，并探討了切削方向?qū)η邢餍阅艿挠绊懸约安煌w維方向角度試樣的平面內(nèi)剪切強度。宿［9］研究了碳纖維不同纖維方向角切屑中的細觀力學行為，認為不同纖維方向角纖維受力不同導致切屑形成機制不同。SHEIKH-AHMAD［10］論述了不同纖維方向角切削時五種碳纖維切屑斷屑模式。針對加工過程冷卻問題，WANG 等［11］利用液氮對芳綸纖維增強復合材料進行了超低溫加工，加工表面質(zhì)量良好。WIGGINS［12］研究了復合材料低溫脆化后的加工性能。相關(guān)研究表明在超低溫環(huán)境下，材料力學性能及微觀組織將發(fā)生顯著轉(zhuǎn)變，進而影響材料的切削性能，可提高纖維增強復合材料加工性能。

綜上所述，本文針對石英增強聚酰亞胺復合材料，采用干切削方式和超低溫冷卻切削方式開展不同纖維方向角的銑削實驗研究，并分析比較常溫條件及低溫條件下纖維方向角對銑削性能的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 試樣制備

采用石英纖維增強聚酰亞胺復合材料。增強體采用QW220 石英纖維布，基體采用KH370 聚酰亞胺樹脂。該材料的纖維層厚度為0.2 mm，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 裝備機規(guī)劃

采用的機床為KVC850m 三軸數(shù)控立銑床，主軸最高轉(zhuǎn)速8 000 r/min，工作臺行程300 mm×300 mm×200 mm；刀具為涂層硬質(zhì)合金銑刀，銑刀直徑6 mm。采用普通干銑削和低溫銑削兩種加工方式，其中低溫銑削以液氮作為低溫流體，采用外噴式冷卻方法冷卻切削區(qū)域，液氮噴口溫度83 K，低溫液氮供給裝置為北京天海工業(yè)公司DPL-175MP 型自增壓液氮罐。

采用單因素法，主軸轉(zhuǎn)速分別采用:n=870、1 120、1 450 r/min，加工溫度為293 和103 K，進給量為f=0.07 mm/r，銑削寬度為ae=6 mm。為了更加詳細地研究纖維方向角對切削性能影響，實驗中將纖維方向角設(shè)置為:θ=0°、θ=30°、θ=60°、θ=90°、θ=120°、θ=150°共6種形式分別進行實驗。

1.3 分析設(shè)備

切屑表面形貌測量裝置分辨率為5 400 萬像素的日本KEYENCE 公司VHX-600 型超大景深數(shù)碼顯微鏡；表面粗糙度測量裝置為美國ZYGO 公司New view 5022 型3D 表面輪廓儀，該設(shè)備垂直分辨率0.1 nm，橫向分辨率110 nm，掃描深度2～150μm；切削點處切削力測量裝置為瑞士Kisler 9257 B三相測力儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

普通干銑削后的表面形貌如圖1所示（主軸轉(zhuǎn)速:1 120 r/min，切削深度1.0 mm），當石英纖維增強聚酰亞胺纖維方向角為銳角（θ=30°和θ=60°）時，加工試樣表面形貌變化平穩(wěn)，毛刺較少，如圖1（a）和（b）所示；當纖維方向角為鈍角時（θ=120o），加工試樣表面質(zhì)量較差，毛刺較多，原因在于纖維未能被刀刃有效切斷，其斷裂方式為拉斷，部分纖維從基體中拔出；同時，纖維在切削刃的作用下發(fā)生彎曲，導致纖維與基體發(fā)生脫粘現(xiàn)象，如圖1（c）矩形區(qū)域所示。

在低溫銑削工況下，當纖維方向角為銳角時［圖2（a）～（c）］時，加工表面形貌較平整，形貌變化較穩(wěn)定。這是由于大部分纖維斷裂方式為切削斷裂，而不是拉斷斷裂，抑制了切削面起毛現(xiàn)象。

圖1 不同纖維方向角干切削表面形貌Fig.1 Surface morphologies of dry cutting with different fiber orientation angles

圖2 不同纖維方向角超低溫冷卻切削表面形貌Fig.2 Surface morphologies of cryogenic cooling with different fiber orientation angles

當纖維方向角為90°時，表面開始變得不平整［圖2（d）］，當纖維方向角進一步加大（120°），加工表面有明顯刀具旋痕殘留［圖2（e）］，可知纖維方向角為鈍角時，刀具出現(xiàn)強烈切削振動，切削區(qū)切削不充分，留下刀具旋痕；當纖維方向角為150°時［圖2（f）］，切削振動現(xiàn)象變得更嚴重。

綜上所述，在普通干銑削和低溫銑削條件下，當纖維方向角為銳角時，加工表面質(zhì)量均處于最優(yōu)狀態(tài)。因此，銑削加工中的進刀方向應選擇銳角纖維方向角進行切削。當加工參數(shù)、纖維方向角相同時，低溫銑削條件下的表面質(zhì)量優(yōu)于相同普通銑削后的表面質(zhì)量。這是由于加工溫度較低，導致大部分纖維是被刀刃切削下來，而不是撕扯下來，切削面起毛現(xiàn)象得到抑制［圖2（a）～（c）］；纖維的這種斷裂方式，減小了纖維相對于基體的滑移現(xiàn)象，在低溫環(huán)境下，抑制了基體和纖維界面的脫粘，提高了表面質(zhì)量。

2.2 表面粗糙度

表面粗糙度變化如圖3所示（主軸轉(zhuǎn)速:1 120 r/min，切削深度1.0 mm），當θ＜90°時，兩種加工方式下的表面粗糙度變化較??；在θ=90°時，都有明顯的粗糙度值增大現(xiàn)象；尤其在θ=120°時，粗糙度值增大到1.58 和2.89μm，較銳角切削增大了接近100%和130%；在θ=150°時，粗糙度值又出現(xiàn)回落，說明纖維方向角θ=120°對表面加工質(zhì)量影響最大。結(jié)合表面形貌的分析結(jié)果，造成上述表面粗糙度變化的主要原因是當進刀方向選擇θ為銳角切削時，對起毛現(xiàn)象及脫粘現(xiàn)象進行了抑制，且超低溫冷卻切削時復合材料的去除形式由拉伸斷裂變成了脆性斷裂，故θ在鈍角時對粗糙度的影響較小。

圖3 纖維方向角對粗糙度的影響Fig.3 Effect of fiber orientation on roughness

2.3 切削力

切削力如圖4所示，在相同切深時，超低溫冷卻銑削力較干切削都有所增大，主要與超低溫下復合材料力學性能升高有關(guān)，去除材料需要更大的切削力。同時可知當纖維方向角為銳角時，不同切深下的超低溫冷卻銑削力變化都很平緩。當鈍角大切深切削時，銑削力出現(xiàn)波動變化，尤其干切削時變化較為明顯。

圖4 纖維方向角對切削力的影響Fig.4 Effect of fiber orientation on milling force

不同的θ切削力變化較大，這是由于復合材料表現(xiàn)為各向異性，具體為其各方向上的應力-應變不同，導致在不同θ時受到的切削載荷不同，引起復合材料切削性能不同。如圖5所示，根據(jù)XmYm方向為切削加工方向，而XFYF為纖維鋪層主方向，其中XFYF為XmYm坐標轉(zhuǎn)動θ后實際坐標，θ由刀具進給方向和纖維鋪層方向的實際切削關(guān)系構(gòu)成。據(jù)此可列出XmYm方向應力分量如式（1）所示:

圖5 基于纖維方向角的切削模型Fig.5 Cutting model base on fiber orientation angle

經(jīng)轉(zhuǎn)化可將XFYF主方向應力表示為:

化簡得:

根據(jù)切削理論，在加工中復合材料在Xm和Ym方向上都要承受切削載荷，則有:

同時已知應力τxy可由以下公式獲得:

式中，αp為切削深度，αe為切削寬度，τxy為剪應力，φ為剪切角，F(xiàn)x和Fy為Xm和Ym方向施加的載荷，即切削實驗中的進給力和主切削力。銑削受力模型如圖6所示，其中包括進給力Fx、主切削力Fy和背向力Fz。

圖6 銑削受力模型Fig.6 Milling force model

則切削截面內(nèi)的Xm和Ym方向應力為:

式中，fz為每齒進給量。

φ可由以下式表示:

式中，γ0為刀具后角，β為刀具螺旋角，該角度與所使用的刀具有關(guān)。

對切削起到主要作用的是剪應力，故在此只討論剪應力變化情況，則式（4）中剪應力可推導為:

當?shù)毒邊?shù)和切削參數(shù)一定時，復合材料的剪應力與主切削力、進給力和纖維方向角有關(guān)。根據(jù)最大剪應力理論，材料破壞是由于最大剪應力達到極限值，故當復合材料在切削中達到最大剪應力時，材料可實現(xiàn)切削去除工作。在具體切削加工中，可取部分特殊纖維方向角，包括銳角、直角、鈍角等，如0°、45°、90°、135°，其切削形式如圖7所示。

圖7 不同纖維方向角的切削模型Fig.7 Processing model for different fiber orientation

同時公式（9）可化簡為公式（10）～（13）。

由式（10）～（13）可知，當剪應力為正值并達到極限值時，這時的復合材料去除形式為拉伸斷裂，而當為負值時，該去除形式為擠壓斷裂。因此，不同θ所獲得剪應力形式不同，將導致切削斷屑形式的不同，切削力也不同。

2.4 刀具磨損

兩種加工工況下，銑刀切削30 min 后的磨損形態(tài)如圖8和圖9所示。

圖8 超低溫冷卻切削刀具磨損圖Fig.8 Tool wear morphology of cryogenic cooling cutting

圖9 干切削刀具磨損圖Fig.9 Tool wear morphology of dry cutting

超低溫切削后，刀具前、后刀面及切削刃未有較大變化，涂層亦未遭到嚴重破壞，刀具仍處于穩(wěn)定磨損階段。由此可推斷超低溫切削能夠極大地提高刀具壽命，同時可提高加工效率。在不同θ切削條件下，刀具磨損亦有不同，當θ＜90°時［圖8（a）和（b）］，刀具磨損較小；當θ=90°時，主切削刃已有些許磨損點［圖8（c）］，但刀具刃能夠正常加工；當θ=120°為鈍角時［圖8（d）］，刀具主切削刃磨損相對于銳角時磨損較明顯，但仍處于正常磨損階段；同時對于后刀面同樣有相似情況，如圖8（e）和（f）所示，θ為鈍角時的后刀面有明顯磨損痕跡，尤其接近切削刃處，磨損更加明顯，如圖8（f）中矩形切削刃處?？赏茢噔g角切削對刀具磨損影響相對嚴重。

干切削加工刀具前刀面磨損嚴重，涂層脫落面積約為測量面積的70%，同時刀尖及主切削刃部位已經(jīng)磨鈍，涂層已經(jīng)遭到破壞，刀具進入急劇磨損階段；相對于θ為銳角時［圖9（a），有效切削區(qū)域涂層脫落面積約占40%］，鈍角時切削刀具磨損程度尤為嚴重，有效切削區(qū)域全部磨損［圖9（b）］。

3 結(jié)論

（1）當θ為銳角，且剪應力為正值并達到極限值時，這時的復合材料去除形式為拉伸斷裂，而θ為負值時，該去除形式為擠壓斷裂。因此，不同θ所獲得剪應力形式不同，將導致切削斷屑形式的不同。

（2）當θ為銳角時，在兩種工況下，銑削表面質(zhì)量均良好，Ra變化平穩(wěn)，但當θ=90°時，切削表面質(zhì)量下降，切削力變化幅度增大。

（3）在相同銑削時間內(nèi)，在干切削工況下，刀具磨損嚴重，涂層脫落面積約為測量面積的70%；而在低溫切削工況下，涂層未遭到嚴重破壞，刀具仍處于穩(wěn)定磨損階段，刀具耐用度優(yōu)于干切削工況。