CFRP制孔加工切屑形成過程及分類

王義文 高貴敏 付鵬強 蔣銀紅 許成陽

（哈爾濱理工大學機械動力工程學院，哈爾濱 150080）

0 引言

碳纖維增強復合材料（CFRP）因質(zhì)輕、強度高和硬度大等優(yōu)良特性而被廣泛應用于航空航天、汽車和體育器材等各個領域［1-3］。碳纖維增強復合材料在制孔加工過程中會產(chǎn)生粉末狀切屑，未排出的切屑在已加工表面與刀具之間會形成研磨機制，容易對已加工表面形成二次加工；碳纖維具有一定的導電性，擴散的粉末狀切屑容易導致加工設備短路［4］。而CFRP 吸氣式內(nèi)排屑系統(tǒng)可將切屑在產(chǎn)生時通過刀具的排屑流道及時自動排出，切屑的形成過程和形態(tài)對切屑的排出質(zhì)量具有重要影響。因此，研究材料的切屑形成過程對設計和優(yōu)化CFRP 吸氣式內(nèi)排屑系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對切屑形成過程的控制、提高排屑質(zhì)量具有重要意義。

目前，已經(jīng)有學者對碳纖維復合材料的切屑進行了研究。陳燕等［5］通過對切屑形成機制的研究，表明了在不同纖維角度下，纖維失效的具體形式為層間分離、纖維切斷和纖維彎曲剪切三種；汪海晉［6］對鉆削模型進行受力分析，分析了CFRP在鉆頭開始切入和切出階段中的受力狀況與缺陷形成的關系；鮑永杰［7］通過對二維切削模型的研究，獲得切削變形與切屑形成的關系；付饒［8］采用高速攝影-顯微觀測技術，研究了不同溫度下CFRP單向?qū)雍习宓某尚继卣鳎积R振超等［9］通過仿真直觀的展示了基體和纖維的失效形式。已有研究已經(jīng)在一定程度上解析了材料失效與切屑形成過程的關系，但少有研究者從力學的角度研究切屑的理論形成過程，對于材料特性與切屑形成過程、形態(tài)之間的關系有待于進一步研究。

本文針對以上各位學者的研究，建立二維直角切削受力模型，從力學的角度分析CFRP 的切屑形成過程并對切屑的形狀進行預測，最后通過試驗來驗證所研究理論的正確性。

1 CFRP材料性能分析

CFRP 是由樹脂結(jié)合按照不同角度層疊鋪設的纖維構成，切屑形成過程是樹脂基體塑性形變破壞和碳纖維以不同失效形式斷裂相互交織作用的復雜過程，與合金不同［10］，碳纖維復合材料是典型的正交各向異性、橫觀各向同性材料，典型復合材料組成及層疊鋪設方式如圖1所示。碳纖維與樹脂材料的某些物理性能與力學性能相差較大，材料加工比較困難，嚴重影響了工件的加工質(zhì)量。CFRP 組成部分的物理與力學性能參數(shù)［8，11］如表1所示。

表1 性能參數(shù)對比Tab.1 Performance parameter comparison table

圖1 典型復合材料組成及層疊鋪設方式Fig.1 Composition of a composite material and a lay-up style of laminate

2 CFRP切屑形成過程分析及分類

CFRP的切屑形成過程不僅與加工設備的工藝參數(shù)、刀具形狀等傳統(tǒng)因素有關，還受碳纖維、樹脂基體的自身性質(zhì)和碳纖維鋪層方向的直接影響。為了簡化切屑的形成過程，采用二維直角切削模型進行力學分析，把纖維方向與切削方向的夾角θ分為0°～90°和90°～180°兩大類，取典型值45°和135°進行具體分析。

2.1 0°～90°纖維方向材料的切屑形成過程與形態(tài)分析

當θ= 45°時，CFRP的受力示意圖如圖2所示。R為刀具對切削區(qū)的作用力，F(xiàn)z為R沿著水平方向的分力，θ為纖維方向與進給方向的夾角，α為刀具對工件的力與水平方向所夾的銳角，F(xiàn)y為R沿著豎直方向的分力。

圖2 CFRP受力示意圖Fig.2 Force diagram of CFRP

F1z和F2z為Fz在沿著纖維方向和垂直于纖維方向的力，F(xiàn)1y和F2y分別是Fy沿著纖維方向和垂直于纖維方向的分力，由于切屑是向外流出的，因此F1z＞F1y，F(xiàn)1為平行于纖維方向的切向力，F(xiàn)2為垂直于纖維方向的剪切力。沿纖維和垂直于纖維方向的合力計算公式如下：

由表2可知，碳纖維復合材料的主承力部分碳纖維的橫向剪切強度和材料的層間剪切強度相對較小，是材料失效時考慮的重要因素。碳纖維復合材料為硬脆性材料，其基本組成部分碳纖維和樹脂分別為脆性材料和塑性材料，因此，在加工過程中，碳纖維先發(fā)生脆性斷裂而后樹脂材料因塑性變形而失效破壞。設σ1為碳纖維與樹脂間的界面剪切強度極限，σ2為碳纖維的剪切強度極限。在刀具沿著切削方向移動過程中，F(xiàn)1和F2會隨著刀具的前進而逐漸增大。當F2超過碳纖維剪切強度極限時，即滿足公式F2＞σ2時，碳纖維在剪切力的作用下發(fā)生剪切脆性斷裂，碳纖維復合材料出現(xiàn)沿著F2方向的裂痕，在刀具沿切削方向進給過程中，當平行于碳纖維的切向力F1超過碳纖維與樹脂間的界面剪切強度時，即公式F1＞σ1成立時，環(huán)氧樹脂材料產(chǎn)生塑性形變與碳纖維界面發(fā)生剪切滑移而形成從前刀面流出的切屑。

表2 材料參數(shù)Tab.2 Material parameters

碳纖維復合材料為硬脆性材料，其切屑為崩碎型切屑。由于碳纖維的強度遠大于樹脂，因此在加工過程中，碳纖維先發(fā)生脆性斷裂，樹脂材料再發(fā)生剪切滑移，具體過程如圖3所示。

圖3 切屑形成過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of chip formation process

（1）纖維是硬脆性材料，在加工過程中幾乎不發(fā)生變形，樹脂的彈塑性變形特性使纖維與樹脂的剪切滑移平面粗糙。

（2）根據(jù)θ=0°～90°受力特點可得，在一定的切削深度下，裂縫向剪切力F2方向延伸，通過界面的剪切滑移將切屑流出，最終形成表面粗糙的條形切屑。

2.2 0°～90°纖維方向材料的切屑形成過程與形態(tài)分析

當θ= 135°時，CFRP的受力示意圖如圖4所示，刀具對切削區(qū)域的作用力分解方法與θ= 45°同理。當θ= 135°時，刀具對切削區(qū)域產(chǎn)生支持力FN，β為FN與水平方向所夾的銳角，F(xiàn)N1為FN沿著豎直方向上的分力，F(xiàn)N2為FN在水平方向上的分力，其中FN11和FN12分別是FN1沿著纖維方向和垂直于纖維方向的分力，F(xiàn)N21和FN22分別是FN2沿著纖維方向和垂直于纖維方向的分力，將沿著纖維方向的力和垂直于纖維方向的力進行疊加，由力的疊加原理可得到的合力示意圖如5所示，其計算公式如下：

圖4 CFRP受力示意圖Fig.4 Force diagram of CFRP

式中，F(xiàn)3為垂直于纖維的作用力，F(xiàn)4為平行于纖維的作用力。F3和F4隨著刀具的切入而增大，在刀具的切削過程中，當F3超過纖維的剪切應力強度σ2時，纖維彎曲剪切斷裂，當θ增大到一定值時，纖維因脆性折斷而失效，當θ= 180°時，碳纖維因折斷而失效，裂紋沿著F3方向延伸，直到F4超過纖維與樹脂的界面剪切強度σ1時，切屑通過前刀面流出，形成形狀不規(guī)則的微圓形切屑，切屑形成的裂紋擴展示意圖如圖5所示。

圖5 CFRP合力示意圖Fig.5 CFRP resultant force diagram

與θ= 45°不同的是，當θ= 135°時，垂直于纖維的力方向不同，裂紋擴展方向不同，從而切屑流出形態(tài)不同，在切削厚度一定的情況下，一般產(chǎn)生微圓形切屑。

由于上述兩種情況的纖維方向不同，因此在相同加工條件下，纖維受力方向不同，纖維失效方式不同，裂紋擴展方向不同，切屑形狀不同。在θ= 45°～90°主要產(chǎn)生條形切屑，在θ= 90°～180°主要產(chǎn)生微圓形切屑。

在材料加工過程中，已加工表面與刀具后刀面的摩擦、碳纖維與樹脂界面的剪切滑移和碳纖維與樹脂的斷裂失效都會產(chǎn)生大量的熱，而CFRP 的導熱性較差，樹脂基體對溫度的敏感性高，當溫度達到樹脂的玻璃化溫度時，基體材料熱軟化效應和應變率強化現(xiàn)象同時存在，碳纖維與樹脂間的界面破壞所需要的剪切力減小，切屑的厚度相應減小，切屑形態(tài)易發(fā)生改變。

以上的直角切削模型對不同條件下的切屑產(chǎn)生過程進行分析并對切屑的形成過程進行了描述，但在實際加工過程中，CFRP 的加工過程復雜，切屑的形成過程和流出狀態(tài)還需要進一步研究。

二維直角切削模型為鉆削三維模型的瞬間切削過程，在鉆削切削過程中，橫刃垂直于鉆頭軸線，而主切削刃相對于鉆頭軸線是傾斜的，麻花鉆的切削過程為斜刃切削。在疊層復合材料的鉆削過程中，主切削刃的上的每個切削刃單元對不同方向纖維層進行加工時可近似等效為二維直角切削過程，三維鉆削過程中，主切削刃可與同一纖維層的材料呈不同方向進行直角切削，形成的在0°～90°和90°～180°范圍內(nèi)的切削過程分別與45°和135°具有一定的相似性，因此，材料的失效方式基本不變。

3 切屑分類實驗

3.1 實驗條件

在CFRP 的制孔加工過程中，與單鋪層直角切削模型相比，鉆削CFRP 過程中不僅會產(chǎn)生扭矩，而且因材料所具有的各向異性特性而產(chǎn)生復雜的切屑形成過程機制，通過對二維直角切削模型進行分析，可以在一定程度上反映CFRP制孔切屑的形成過程。

為了對上述直角切削模型的相關理論進行驗證并對實際加工過程進行分析，鉆頭及模型如圖6～圖7所示。采用安裝有Φ8 mm 標準麻花鉆的大連立式數(shù)控銑床（VDL-1000E）在主軸轉(zhuǎn)速為n= 3 000 r/min、進給量f= 0.06 mm/r的條件下加工厚度為5 mm 的碳纖維復合材料，用吸氣式內(nèi)排屑系統(tǒng)進行加工并將切屑進行收集。取少量的切屑進行均勻鋪散開，用超景深顯微鏡（KEYENCEVHX-1000）觀察切屑的形狀。

圖6 鉆頭Fig.6 drill

圖7 材料圖片及模型示意圖Fig.7 Material picture and model diagram

3.2 實驗結(jié)果與分析

部分切屑的測量結(jié)果如下，通過測量產(chǎn)生的切屑等效直徑范圍是0.2～1.8 mm，切屑的形狀以條形切屑、微圓形切屑和形狀很小的米形屑為主，還有少量的纖維拔出形切屑和C 形屑，具體實驗觀察結(jié)果與分析如下。將最大長度小于100 μm的切屑定義為米形屑，如圖8所示。

圖8 米形屑Fig.8 Rice chip

在CFRP 制孔加工過程中，麻花鉆初切入CFRP時，材料首先受到橫刃的沖擊力作用，在橫刃的剪切力和主切削刃扭矩與剪切的的雙重作用下，材料被擠壓并與切削刃產(chǎn)生錯位而形成如圖8所示的形狀不規(guī)則且微小的擠裂和崩碎型切屑。材料的二次加工等其他因素也可能會產(chǎn)生此種切屑。

當鉆頭完全進入材料時，主切削刃切入的長度達到最大。由于鉆削的進給量是一定的，因此鉆頭的單位切深和切屑厚度是確定的。切削刃相對于被切削材料是傾斜的且存在不確定的扭矩作用，鉆頭起主要切削作用的主切削刃在加工過程中為斜刃切削，在鉆頭轉(zhuǎn)過一定角度的過程中，逐漸遠離刀具中軸線的主切削刃單元切削寬度逐漸增加，因此材料失效時在會出現(xiàn)兩端大小不一的現(xiàn)象。主切削刃在逐漸切入材料到切出的過程中，切入材料的主切削刃長度逐漸增加到最大長度后保持不變，最后逐漸減小而切出，切屑的長度隨主切削刃切入的長度增加而增加到最大后不變，主切削刃切出過程中，切削刃長度會逐漸減小。在其他條件不變的情況下，切屑的厚度隨著進給量的增加而增大。切削過程中可能會出現(xiàn)條形切屑和微圓形切屑，如圖9和10所示。

圖9 條形切屑圖Fig.9 Strip chip

圖10 微圓形切屑Fig.10 Microcircular chips

材料導熱性差且在加工過程中產(chǎn)生粉末狀切屑，熱量的積累使材料的溫度升高，當溫度達到樹脂基的玻璃化溫度時，由于扭矩的作用，條形切屑會變成有一定彎曲角度的C 形屑。纖維與樹脂間的結(jié)合力降低，切屑變小，容易出現(xiàn)纖維拔出現(xiàn)象，形成毛刺等缺陷，如圖11～13所示。

圖11 C形切屑圖Fig.11 C chip

圖12 纖維拔出形切屑Fig.12 Pull-out chips

圖13 毛刺缺陷圖片F(xiàn)ig.13 Burr defect

實驗中的切屑形狀基本與理論分析相一致，理論分析結(jié)果與實驗結(jié)果基本相吻合。

4 結(jié)論

理論研究結(jié)果表明，CFRP 制孔切屑的形成與纖維方向、溫度等因素有關；材料的主要失效方式為崩碎型、剪切滑移型和彎曲剪切型；切屑形狀主要有條形切屑、微圓形切屑和米形切屑三種；當溫度達到環(huán)氧樹脂的玻璃化溫度時，纖維與樹脂間的粘結(jié)力降低，切屑會發(fā)生變形，從而出現(xiàn)纖維拔出現(xiàn)象和C 形屑，基本上符合制孔加工過程中的切屑形成類型。