高速铣削碳纤维增强树脂基复合材料切削力研究.docx

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1、高速铳削碳纤维增强树脂基复合材料刀具磨损机理研究*摘要：对TiAIN涂层刀具、A1CrN涂层刀具、硬质合金YG6刀具高速铳削碳纤维增强树脂基复合材料时的刀具磨损形态及其磨损机理进行观察和分析.结果表明：金属切削典型的月牙洼磨损并未出现，前刀面均发生了轻微的切屑黏附，硬质合金无涂层刀具切屑黏附异常严重，并发生了崩刃现象。磨损区域皆呈现抛光状的磨损带，且沿切削方向有轻微的沟痕，涂层刀具后刀面涂层剥落现象明显。三种刀具的磨损机理主要为磨粒磨损和粘着磨损。关键词：碳纤维增强树脂基复合材料；高速铳削；磨损形貌；磨损机理中国分类号：TG71文献标识码：Atoo1wearmechanisminhighspe

2、edmi11ingofcarbonfiberreinforcedresinmatrixcomposiesAbstract:ForTiA1Ncoatedtoo1s,A1CrNcoatingcuttingtoo1s,carbideYG6cutterhigh-speedmi11ingofcarbonfiberreinforcedresinmatrixcompositesofcuttingtoo1wearpatternsandwearmechanismswereobservedandana1yzed.Theresu1tsshowthattherewasnotypica1craterwearofmeta

3、1cuttingonrakeface.Therakefaceappeareds1ightchipadhesion,buttheadhesionofuncoatedcementedcarbidetoo1isunusua11ysevere,andappearthephenomenonofco11apseedge.Wearareasareshowingwearandtear1ikepo1ishedbandandtherehass1ightgrooveoncuttingdirection.Thecoatingf1akingisobviousonf1ankfaceofcoatedtoo1.Thewear

4、mechanismofthreedifferenttoo1saremain1yabrasivewearandadhesionwear.Keywords:CarbonFiberFeinforcedPo1ymerComposites;HighSpeedMi11ing;wearmorpho1ogy,too1wearmechanism；碳纤维增强树脂基复合材料以轻质高强、耐高温、抗腐蚀、良好的抗疲劳特性、易于大面积整体成形、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料。从以前主要集中在航空航天及代表科技前沿的军事领域,逐步拓展到工业应用领域,特别是近几年以来,碳纤维的成本逐渐降低，使得碳纤维

5、复合材料在建筑、体育休闲、交通运输等领域的应用大幅增长。然而碳纤维复合材料具有硬度高、导热性差、各向异性、非均匀性、层间强度低等特性,属于典型的难加工材料，其层合结构、各向异性及脆性大等特点，在其加工过程中容易出现分层、撕裂及表面不平整等缺陷，其高硬度和导热性差等特点导致刀具严重磨损，使加工成本升高。一般碳纤维复合材料制品均为一次整体成型,但成型后精度往往达不到要求,或因装配需要，常常需要进行切削加工。由于连接的需要，钻孔加工引起了大量广泛的研究t14随着碳纤维增强复合材料在大型零部件上的应用不断增加，使得该类构件的铳削加工已经不能局限于制孔。零部件在装配前需要进行精确的轮廓及局部型面加工、特

6、殊槽加工5-6O切削力对刀具磨损、加工精度和已加工表面质量有着重要的影响63是决定切削性能国家自然科学基金“高性能树脂基复合材料高速切削过程摩擦学行为研究”(51375094)：福建省自然科学基金“高速硬态干切削温度场分布及刀具磨损机理研究”(2013JOIoI)的重要参数之一。鉴于国内对碳纤维复合材料高速铳削切削力的研究工作尚未全面系统地展开。因此，有必要研究刀具材料及铳削参数对高速切削过程中铳削力的影响规律，从而揭示其切削机理，提高切削过程中工件的加工表面质量、工件的加工精度和切削加工效率。本文采用整体式硬质合金及其涂层立铳刀进行了碳纤维更合材料的铳削实验,对铳削过程中切削力进行了分析，为

7、优化碳纤维复合材料铳削工艺参数、进行表面质量的研究，提供相关的实验基础和理论依据。1实验条件和方法1.1实验条件铳削实验在SXDK6050D数控雕铳机床上进行，实验设备和工件装夹示意图如图1所示。工件材料为碳纤维增强树脂基复合材料层压板，其组成成分和力学性能分别见表1,表2。实验采用厦门金鹭生产的直径为8mm两刃(YG6、A1CrN.TiAIN)硬质合金立铳刀，螺旋角均为35；本文中所有试验均采用开槽干切削。图1实殴设备和工件装夹示意图表1CFRP层合板的组成成分增强材料基体材料铺层形式纤维体枳含量%板厚度unT300型碳纤维环氯树脂090605表2碳纤维的主要力学性能纤维牌号抗拉强度/MPa

8、抗拉模量/GPu断裂伸长率气密度g*3T30035002301.51.751.2实验方法切削力采用Kist1er9257B动态压电测力仪进行测量，测力仪的信号经Kist1er5007电荷放大器放大后，由计算机进行数据采集，采样频率为8000Hz。切削力系统坐标系定义：刀具进给方向为X,刀齿切入方向为Y,刀具轴向为Z。为了保证铳削力不受刀具磨损的影响，每次铳削加工走刀长度都很短，为40mm,直到此次实验完成，在显微镜下观察到刀具后刀面磨损量非常小,完全可以忽略不计,这可以保证铳削力受刀具磨损而波动的情况很小。本文采用单因素试验重点研究高速铳削碳纤维第合材料时，不同刀具材料及切削参数（切削速度，每

9、齿进给量，轴向切深）对切削力的影响规律。单因素实验的实验因素及水平见表3。表3表面粗糙度单因素实验切削参数实验参数试验号切削速度m*minr每齿进绐量n*tooth1切削深度广5130,210,290,370,4500.0316103700.01,0.02,0.03,0.04,0.05111153700.030.4,0.8,1.2,1.6,22.结果与讨论2.1切削力典型信号分析对于各切削周期，产生的最大切削力对于工件的冲击作用以及刀具磨损的影响最为显著，故选择切削力峰值的平均值，作为本次实验的评价指标。在KiSt1er切削力测量系统的测量结果的波形图中（图2）,由于刀具刚切入工件，切削振动比

10、较大，因此，选择波形变化比较稳定的后面区域，取5个切削力峰值的平均值作为最终的评价。图2切削力波形图从图2各切削分力局部放大图可以看出，各铳削分力均呈周期性波动，并且总体曲线趋势为类正弦曲线。Z方向的铳削力峰值最小，Y方向的铳削力峰值次之，X方向的铳削力峰值最大，这是因为在Z轴方向没有进给运动，只是因为铳刀刃的螺旋角度而引起的铳削力，所以Z方向铳削力相对较小，FX为主切削力方向，刀具在切削过程中承受X方向的进给抗力最大,导致X方向的铳削力峰值大于Y方向的铳削力峰值。2.2切削速度对切削力的影响从图3可以看出，三个分力中进给力FX最大，切向力Fy次之，轴向力FZ最小。总体上各切削分力随着切削速度

11、的增大而增大，但增大的趋势变缓，甚至会出现递减趋势。产生这一现象的原因可能是：一方面，在铳削速度较低时，随铳削速度的增大，碳纤维复合材料中的碳纤维对刀具的冲击更剧烈，致使铳削力明显上升；另一方面，是因为主轴转速提高后,剪切角增大，导致剪切面减小，剪切力减小；转速变大，材料表面的破碎率逐渐增大，刀具与工件的摩擦面积减小，而且后刀面与工件表面的平均摩擦因数也在逐渐减小。同时，铳削速度的提高，铳削温度也随之升高，导致摩擦系数降低，变形系数减小，切削力减小，所以铳削力增加不如之前明显甚至出现递减现象。图3三种不同材料刀具切削CFRP时，切削速度对切削力的影响图4为TiAIN涂层刀具在不同切削速度下切削

12、力的FFT变换得到的切削力功率谱信号。无论在何种转速条件下，X和y向的切削力幅值都要明显大于Z向的切削力幅值；随着转速增加，切削力的频响函数主要频率向高频区域转移。在切削速度为370mmin条件下，切削分力幅值相对较小，这与切削速度对切削力的影响规律基本一致。在较低切削速度下，出现振动干扰信号幅值相对较大，切削速度为130mmin时，振动干扰幅值最大，为Fx=3.36,Fy=4.69,切削速度为370mmin时，振动干扰幅值最小仅为Fx=O.77,Fy=O.49。因此，在实际加工中，应选用较高的切削速度，以免切削力过大及系统振动对刀具寿命及表面质量产生影响。图4TiA1N海层刀具不同切削速度下

13、的切削力功率谱值号2. 3每齿进给对切削力的影响由图5可知，X,Y,Z三个方向的铳削分力均随着每齿进给量的增大而增大，随着每齿进给量的增大，铳削时每齿切入工件的切削厚度增大，单位时间铳削的体积增加，前刀面与切屑的摩擦面积、后刀面与已加工表面的摩擦面积均增大，铳削过程中阻力升高，切削力增大。同时，当进给量增大时，纤维直接被切断的机会减少，切削抗力大大提高，切削力增大。H5三料不同材料刀具切削CFRP时，每齿进给对切削力的影晌0.05.YG6FxYG6-FyYG6FzYG6H0.012.4 切削深度对切削力的影响由图6可知，X,Y,Z三个方向的铳削分力均随着轴向切深的增加而增大。究其原因,一是由于

14、随着轴向铳削深度的增加使得单位时间内切除碳纤维复合材料的体积也在增大,切削力也就随之增大。二是随着轴向切深的增加，刀具的刀刃与工件材料内部接触的切削长度也会随之增加，刀具与工件材料的接触面积就会增大，从而导致摩擦力增大，切削力随之增加。此外，随着轴向切深的增大，铳刀刀齿最大切削厚度逐渐增加，单位时间内材料去除量增大，切削力将随之增加。Q08O6O402OOIXJS一，,-YG6F-YG6-FxYCiFyYG6-Fz120100806040200切削深度apu(C)硬质合金刀具切削深度ap/mm切削深度up/an()TiAIX涂层刀具S)A1CrN涂层刀具二迁S乙工7三二f忘S图6三不同材料刀具

15、切削CFRP时，切削深度对切削力的影响2.5 不同刀具材料对切削力的影响图7可知，涂层刀具的切削力明显小于未涂层刀具，主要原因在于涂层刀具硬度较高,抗耐磨性较强，切削刃较长时间保持锋利。同时，涂层使得刀具表面的摩擦系数降低，对碳纤维复合材料的抗粘附能力较强，因此切削力更小。每齿1进给量fzntooitS)每齿进给量图7三#不同材料刀具切B1CFRP时，切例参数对切削力的影嘀3.结论(1)切削力典型信号分析表明：各铳削分力均呈周期性波动，并且总体曲线趋势为类正弦曲线。Z方向的铳削力峰值最小，Y方向的铳削力峰值次之，X方向的铳削力峰值最大。三个分力中进给力FX最大，切向力Fy次之，轴向力FZ最小。(2)Tia1N涂层刀具切削力频谱图分析表明：无论在何种切削速度条件下，X和y向的切削力幅值都要明显大于Z向的切削力幅值；随着转速增加，切削力的频响函数主要频率向高频区域转移；较低切削速度下不仅切削力较大，而且振动干扰信号较大，切削速度为130mmin时,振动干扰幅值最大为Fx=3.36,Fy=4.69,切削速度为370mmin时,振动干扰幅值最小仅为Fx=O.77,Fy=O.49。(3)切削力单因素实验结果表明：切削速