碳纤维增强复合材料的铣削实验和微观形貌分析

苏飞，袁军堂，于斌斌，汪振华

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京210094)

0 引言

碳纤维复合材料(CFRP)作为一种新型结构材料，在航空航天、汽车、风电叶片等制造领域得到了广泛应用。

CFRP 的机械加工存在很多问题，例如材料产生分层破坏、产生残余应力、引起撕裂和毛边等［1-4］。针对这些问题的解决，国内外专家学者在CFRP 的机械加工方面做了较多研究。张厚江等［4］通过对单向CFRP 的钻削实验，研究了不同纤维方向与切削方向夹角下孔壁的微观形貌，并总结了3 种典型的纤维断口。鲍永杰等［5］、Gao 等［6］以单向CFRP 为研究对象，建立单丝切削模型，并结合单点飞切实验分析了纤维断裂方式以及纤维受拉、剪应力断裂所形成的断口形貌。Wolfgang Hintze 等［7］通过单向碳纤维复合，研究了不同纤维取向下切削表面产生缺陷的状况，总结出了缺陷的发生区、扩散区和无扩散区。Karpat［8］等使用2 种不同的刀具对单向CFRP 进行铣削实验，研究了不同纤维取向下的切削力及其加工质量。Hintze 等［7-10］的铣削实验均采用了工件平放的铣削方式，在CFRP 工件构形复杂的特定铣削加工中，这种铣削加工方式将存在一定的局限性。而切削表面的加工质量与纤维的取向密切相关［4］，因此，工件采用不同的放置方式进行铣削，对其切削表面的研究显得十分必要。另外，对复合材料加工表面质量的评价缺乏统一的方法和手段，能真实和全面反映切削表面形貌特征的有效方法还不够成熟［11］。但通过观测切削表面的微观形貌可以反映切削表面的真实特征。目前，关于平纹织物CFRP 工件采用立放方式的铣削研究并未涉及到，特别是其切削表面的微观形貌研究鲜有报道。

针对以上现状，本文以平纹织物CFRP 为研究对象，采用立放方式进行铣盲槽实验，分析被切削区上表面缺陷状况及其与切削速度vc和进给速度vf的关系，通过扫描电镜(SEM)观察并分析纤维的断口形状、槽壁形貌、槽底部形貌和切屑形状。

1 实验方案

1.1 实验条件

试件材料为板状平纹织物碳纤维布叠层复合材料(T300/环氧树脂，CFRP)，基体为热固性环氧树脂，厚15 mm，纤维直径7 ～8 μm，纤维体积含量60% ～65%，试件为110 mm×20 mm×15 mm 方条。

采用整体硬质合金(YG6X)螺旋齿立铣刀，直径6 mm，4 齿右螺旋:螺旋角β 为30°，主切削刃前角γ 为5°，后角α 为12°.

平纹织物CFRP 制作成型后，平纹交织结构中的经纱和纬纱难以分辨。实验中:试件立放，竖直方向纤维束定义为经纱(经向纤维)，水平方向为纬纱(纬向纤维)。一束经纱、纬纱的平均宽2.5 mm，实验中为了能清楚反映整个一束纬纱的切削形貌，选切削深度ap为3 mm. 通过改变切削速度vc和进给速度vf，在KVC1050M 立式加工中心上进行单因素实验，所选用的切削速度vc和进给速度vf如表1 所示。

表1 所选切削速度vc和进给速度vfTab.1 Selected milling parameters vc and vf

实验采用无冷却铣削方式，实验装置实物以及铣削方式和槽内各部位名称分别如图1(a)和图1(b)所示。试件被铣削后，从中抽取部分试件，采用扫描电镜(SEM)分别对试件的不同部位(包括槽的前端壁、侧壁和底面，见图1(b))及切屑进行观察及分析。

1.2 工件立放铣削模型

立铣刀的主切削刃分布在铣刀的圆柱表面上。为便于分析，以主切削刃的切削方向和纤维层片方向为参考建立切削模型，如图2(a)所示。

图1 实验装置、铣削方式和槽各部位Fig.1 Experimental setup，milling method and slot

图2中:ψ 为纤维层片方向与切削方向的夹角;θ 为切削处纬向纤维与切削方向的夹角;φ 为切削处纬向纤维的弯曲角度(弯曲度)，由相关文献［12］可知-5°≤φ≤5°;Fc为切削处平行于切削方向的切向铣削力;Fcn为径向铣削力;Fr为铣削力的合力;Fτ为铣削力合力沿垂直纤维轴向的分力，它将对待切纤维形成剪切应力;Fσ1为铣削力合力沿纤维轴向的分力，它将对待切纤维形成压应力;Fσ2为铣削力合力沿纤维轴向的分力，它将对待切纤维形成拉伸应力。

从铣削模型可知，不同的切削区域(即ψ 不同)，纬向纤维的主要受力状况也不同，而θ 与ψ 相差并不大，可认为微小段单根纬向纤维是直的，故在不考虑切削速度、刀具螺旋角和材料变形的条件下，以θ 为参考，分析单根纬向纤维的主要受力状况。当0° ＜θ ＜90°时，切削过程中Fτ将对待切纤维形成剪切应力，Fσ1对待切纤维形成压应力，可见纤维主要受到压应力和剪切应力，如图2(b)所示;当θ =90°时，待切纤维主要受剪切应力;当90° ＜θ ＜180°时，在Fτ对待切纤维形成剪切应力的同时，Fσ2将对待切纤维形成拉伸应力，此时，纤维主要受到拉伸应力和剪切应力，如图2(c)所示。

图2 切削模型和单根纬向纤维切削模型Fig.2 Cutting model (a)and cutting model (b、c)of single fiber

1.3 分层缺陷评价因子

在试件采用立放方式的铣削过程中，槽两侧将产生高层间应力，导致层与层之间产生裂纹。同时，刀齿产生的挤压和滑移将破坏表面自由边的纤维束。这些分层和纤维破坏将直接影响制品的质量，如图3 所示为vc=64 m/min，vf=100 mm/min，ap=3 mm 时的评价因子。参考相关文献的研究［13-14］，以切削区槽两侧上表面分层和纤维破坏的情况作为衡量缺陷大小的因子，简称分层因子Fd，以此来表征制品表面的加工质量，如(1)式所示:

式中:Wmax为槽两侧被破坏的最大宽度;W 为槽的加工宽度。Wmax通过立体显微镜和图片处理软件测得。

图3 分层和纤维破坏及其评价因子Fig.3 Delamination，damaged fibers and evaluation factor

2 结果分析和讨论

2.1 切削区上表面缺陷分析

在90°≤ψ≤180°区域内，槽前端上表面普遍存在毛刺缺陷，且随着ψ 的增大，毛刺逐渐明显，如图4(a)所示。切削过程中，切削区上表面的纬向纤维随着刀具向前推挤将发生退让和翻边。铣刀切入侧(0°≤ψ ＜90°)，纬向纤维的退让方向与刀具的切削方向有同向趋势，纤维无法避让而被切除，而铣刀切出侧(90°≤ψ≤180°)，纬向纤维的退让方向与刀具的切削方向有反向趋势，随着刀具的继续推挤纤维与刀具趋于分离，造成纤维避让而形成毛刺，随着ψ 增大，避让越严重，毛刺也越明显。另外，刀刃钝圆半径较大，纤维不易被切断［15］也是毛刺的形成原因之一。其中，铣刀切入侧和切出侧的铣削方式分别为逆铣和顺铣。由此可知，在CFRP 工件采用立放方式的实际铣削加工过程中，应采用逆铣的铣削方式，且铣削宽度小于刀具半径为宜。

槽两侧上表面普遍存在经纬界面的分层和纤维的破坏缺陷，如图3(a)和图4(b)所示。其中，刀齿产生的挤压和滑移导致自由边的纤维受到破坏。经纬交叉处应力最大［16］，基体最容易被破坏，由此造成经纬界面的分层。加上复合材料内部基体分布并非均匀，这也促使着分层的产生。此外，在纬向纤维的初始弯曲作用下，导致了槽两侧上表面普遍存在纬向纤维的回弹现象，见图4(b). 而且纬向纤维的弯曲度越大，这种现象越明显。部分纬向纤维的“回弹”也正是槽两侧产生毛刺的主要原因。

槽两侧产生的分层和纤维破坏直接影响制品的质量，以分层因子Fd来衡量制品表面的加工质量。分层因子Fd与切削速度vc和进给速度vf之间的关系如图4(c)和图4(d)所示。随着切削速度vc的增大分层因子Fd逐渐减小，分层缺陷平均减小30.44%. 随着进给速度vf的增大分层因子Fd逐渐增大，分层缺陷平均增大73.49%.

由分层因子与切削速度vc和进给速度vf之间的关系不难得出，在满足一定的加工质量和加工要求前提下，实际加工中可以优先提高切削速度vc，适当地增大进给速度vf.

2.2 槽壁纤维断口的SEM 分析

仔细观察槽前端壁和侧壁的纤维断口发现，纬向纤维的典型断口形貌主要有5 种，如图5(a)～图5(e)所示。图5(a)断口平面与纤维轴线基本垂直，图5(b)断口平面与纤维轴线不垂直。这2 种断口形貌主要出现在ψ=90°附近的槽前端壁上，该区域内θ 基本呈90°，纤维所受拉伸应力或压应力均较小，主要受剪切应力，可见这2 种断口形貌是由于纤维受剪切应力形成的。如图5(c)所示，多阶平面断口主要出现在ψ =45°附近的槽前端壁上。当ψ在0°附近时，由于压应力过大，部分纤维断口已受到不同程度的破坏，纤维断口较为破碎，而随着ψ的增大，纤维所受压应力的破坏作用减小;当ψ 在45°附件时，纤维断口较为完整。由于ψ 与θ 相差不大，该区域内纬向纤维同时受到压应力和剪切应力，因此，多阶平面断口是纤维主要受压应力和剪切应力所形成的断口;如图5(d)所示，不规则断口主要出现在ψ≥135°附近的槽前端壁上，且随着ψ 的增大，这种断口呈增多趋势。由于ψ 与θ 相差不大，该区域内纬向纤维同时受到拉伸应力和剪切应力。随着ψ 的增大，θ 也逐渐增大，导致剪切应力逐渐减小，而拉伸应力逐渐成为主要应力，由此可知纤维主要受拉伸应力的同时还受剪切应力是不规则断口形貌形成的原因;如图5(e)所示，波纹状断口主要出现在ψ=45°附近的凹坑内，其形成原因较复杂。

图5 纤维断口典型形貌Fig.5 Typical fracture microstructures of fibers

此外，与纬向纤维差别较大的经向纤维的典型断口形貌主要有2 种，如图5(f)和图5(g)所示的经向纤维典型断口形貌。图5(f)是由长斜面和不规则状断口组合而成的断口，图5(g)是伴有根部断裂的长斜面断口，这2 种断口形貌极为相似，主要区别在于图5(g)中长斜面的根部是断裂的。

在切削过程中，刀尖与纤维的接触使纤维受近似均布线载荷，其作用线与纤维轴线形成的夹角δ较小，如图6 所示。由此产生的剪切应力把单根纤维切成2 部分，单根纤维的一部分形成了长斜面纤维断口。随着刀具继续推挤，导致单根纤维的刀尖前端部分在剪切和拉伸应力下迅速形成不规则断面，纤维断口最终形成图5(f)中断口形貌，这种断口主要出现在135°≤ψ ＜180°的槽前端壁上。图5(g)与图5(f)断口的形成原因相似，而根部的断裂主要由于根部受到了压应力的破坏作用，图5(g)断口形貌主要出现在ψ =90°附近的槽前端壁上，可见该处的经向纤维容易受到破坏。

图6 经向纤维切削模型Fig.6 Cutting model of warp fiber

图6中:Q 为经向纤维所受近似均布线载荷;δ 为载荷作用线与纤维轴线形成的夹角。

从碳纤维断口形貌的SEM 观察及分析可以看出，由于纤维所受应力不同，纤维断口呈现不同的断口形貌。此外，碳纤维是具有脆性特征的弹性材料［17-19］，在断裂过程中缺乏塑性流变特性，集中应力不易缓和与释放，而是以裂纹迅速传播和扩展形成新表面的方式消除的［20-21］，因此纤维断口处的纤维直径没有明显的颈缩现象，纤维断裂呈明显的脆性断裂。

2.3 槽前端壁切削表面的SEM 分析

2.3.1 槽前端壁切削表面的整体微观形貌

结合纤维断口形貌的分析，对槽前端壁切削表面的整体微观形貌进行观察及分析。结果表明，树脂涂覆表面面积相对较小，大部分纤维断口清晰可见，试件前端壁表面沿着圆周方向的表面粗糙度不一样。

当ψ 在0°附近时(铣刀切入侧)，除部分纬向纤维受到破坏外，切削表面整体较平整，见图7(a);当ψ 在45°附近时，切削表面形成明显的下凹现象，严重影响切削表面的粗糙度，其切削质量最差，见图7(b)左图;当ψ 在90°附近时，除切削表面少部分出现下凹现象外，切削表面整体较平整，见图7(b)右图;当ψ 在135°附近时，切削表面整体较光洁，没有明显的下凹现象，切削质量最好，见图7(c);当ψ 在180°附近时(铣刀切出侧)，切削表面整体较平整，切削质量较好，见图7(d).

理论上，当ψ 在45°附近时，纬向纤维与切削方向的夹角θ ＜90°，这部分纤维的切削形式属于逆切［5］，其断裂点在刀刃的下方将形成凹坑。然而，在试件采用立放方式的铣削实验中，除图7(b)右图中Ⅰ区纬向纤维出现大面积的凹坑外，该区域内的切削表面整体较平整，如图7 (b)右图所示。图7(b)左图是右图矩形框中切削表面放大1 200 倍的图片，从图中可见纤维断口出现部分平滑和倾斜等剪切断口。

在切削过程中，图7(b)中Ⅰ区纬向纤维的切除主要由其右侧未被切除的纬向纤维提供支撑。然而，纬向纤维束内部的纤维和树脂分布并非均匀，由此造成纬向纤维束内部的局部松散，这种局部松散造成支撑力分布不均衡。支撑力的不均衡促使纤维主要受弯曲作用而发生断裂，其断裂点在刀刃下方，最终形成明显的“凹坑”。而图7(b)中Ⅱ区与Ⅰ区不同，Ⅱ区纬向纤维主要由其右侧经向纤维提供支撑。与Ⅰ区相比，Ⅱ区纬向纤维所受支撑力更为均衡，且经向纤维的弧形弯曲对纬向纤维的错动具有一定的约束作用，这种约束作用改善了纬向纤维的受力状况，有利于增强剪切效应。

综上可见，在工件采用立放方式的铣削中，这种经纬交织结构在一定程度上降低了槽前端壁切削表面的整体粗糙度。

图7 槽前端壁切削表面的微观形貌(vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)Fig.7 Cutting surface microstructure of the front wall of slot(vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)

2.3.2 槽前端壁局部缺陷微观形貌

在90°≤ψ≤135°的局部区域内，经纬纤维界面出现明显的分层现象和经纬纤维同时被压碎的现象，且纬向纤维的碎裂程度更为严重，如图8 所示。这是由于切削过程中经纬交织结构在经纬相交处应力最大［16］，大的应力易造成纤维、基体以及纤维与基体界面的破坏。图8(a)中经纬纤维同时出现不同程度的纤维破坏，而纬向纤维的破坏最为严重，可知纬向纤维积聚的变形能最大。图8(b)中经纬界面出现明显的分层现象，该处基体较完好，主要是纤维与基体界面受到了破坏。

图8 槽前端壁局部缺陷的微观形貌(vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)Fig.8 Microstructures of the part of slot front wall (vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)

仔细观察整个槽前端壁的切削表面发现，这种严重的破坏现象只出现在90°≤ψ≤135°的切削表面上。此外，根据槽前端上表面的缺陷分析可知，在90°≤ψ≤180°区域内，槽前端上表面普遍存在毛刺缺陷。因此，平纹织物CFRP 试件在采用立放方式进行铣削时，90°≤ψ≤180°处是铣削的薄弱处。

2.4 切屑的SEM 分析

在所有试件采用立放方式的铣削实验中，都产生了一种典型切屑，这种切削主要由粉末和大量的长条状纤维组成，简称粉末长条状切屑。其中长条状纤维的长度与切削厚度基本相等，其断口平齐，且大量的树脂涂覆在纤维断口上。长条状纤维断口形貌与槽底面经向纤维的微观形貌如出一辙，如图9所示。且这种典型切屑的产生伴随整个切削过程，由此可以推断出长条状纤维切屑主要来自经向纤维，其对应的切削表面即为槽底切削表面。而其中的粉末则主要来自纬向纤维和树脂基体。图9(b)中除部分经纬交叉处存在纤维被拔出留下的孔洞外，表面整体较光洁，可见长条状纤维切屑所对应的切削表面较平整，切削表面质量较好，因此，所目测到的槽底切削表面很光洁。另外，从槽前端壁切削表面的整体微观形貌可知，经纬交织结构在一定程度上降低了槽前端壁切削表面的整体粗糙度，从而工件采用立放方式的铣削具有可行性。

图9 典型切屑和槽底切削表面的微观形貌(vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)Fig.9 Typical chips and microstructure of slot bottom (vc =79 m/min，vf =420 mm/min，ap =3 mm)

3 结论

1)随着切削速度vc的增大，分层因子Fd平均减小30.44%;随着进给速度vf的增大，分层因子Fd平均增大73.49%.

2)纬向纤维的典型断口形貌主要有5 种，与纬向纤维差别较大的经向纤维典型断口形貌主要有2 种，即长斜面和不规则状断口组合而成的断口形貌，及伴有根部断裂的长斜面断口形貌。

3)在90°≤ψ≤180°区域内，槽前端上表面易产生毛刺缺陷，并且在90°≤ψ≤135°区域内，槽前端壁的切削表面易出现明显的分层现象和经纬纤维同时被压碎的现象。因此，90°≤ψ≤180°区域(即铣刀切出侧)是工件立放铣削的薄弱处。

4)在工件采用立放方式的铣削中，经纬交织结构在一定程度上降低了槽前端壁切削表面的整体粗糙度。此外，长条状切屑所对应的切削表面为槽底切削表面，其表面加工质量较好。因此，工件采用立放方式的铣削具有可行性。

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