碳纤维增强复合材料高速切削刀具研究现状❋

郭 铃，林有希

（1.福州市第一技工学校，福建 福州 350108；2.福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350108）

0 引言

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有硬度高、强度大、导热性差、各向异性的特点，属于难加工材料［1］。近年来的研究表明，高速切削对提高复合材料的加工质量具有明显的效果［2］。但在高速切削过程中，不断提高的滑动速度和摩擦应力使刀具快速磨损。此外，由于复合材料的导热性差，使得切削温度快速上升，加快了刀具的磨损，往往需要多次修磨刀具或更换刀具才能完成切削，影响加工的效率和精度［3，4］。因此，刀具成为制约复合材料切削加工的瓶颈。

1 切削机理的研究发展

针对切削机理的研究主要集中在切削力、切削热方面，20世纪80年代前，CFRP多数按金属材料加工，不仅刀具磨损较快，而且工件常出现一些加工缺陷，如撕裂、分层、起毛等。1983年，Kpolve等人率先提出CFRP的切屑形成过程实质是纤维断裂的过程，并指出增强纤维取向的不同会影响加工的表面质量。日本花崎伸作等人利用有限元方法对CFRP切削机理进行分析，认为CFRP在切削时的实际剪切面有两个：一个垂直于纤维方向，另一个平行于纤维方向。切削时，纤维首先沿垂直于纤维方向面剪断，然后沿平行于纤维方向面滑出，进而成为切屑［5］。国内张厚江等人指出当CFRP的纤维方向与切削方向间的夹角改变时，切削变形分为纤维切断型、层间分离型、弯曲切断型等［6］。而关于切削热的研究，目前主要集中在测试切削温度方面。

有关CFRP切削机理方面的研究很多，但针对高速切削过程中刀具的摩擦机理、刀具材料、结构及几何参数等对切削热和刀具磨损的影响等问题有待进一步的细致研究。

2 刀具磨损的研究

2.1 刀具磨损机理的研究

高速切削过程中的摩擦包括刀－屑、刀－工间的摩擦，它直接影响刀具失效（磨损和破损）和使用寿命。刀具磨损速率很大程度上取决于前刀面刀－屑接触区的摩擦情况，而后刀面的刀－工摩擦力相对要小。艾兴等人在高速铣削试验中对刀具磨损表面形貌进行了观察和分析，指出高速切削常规材料时，刀具磨损形态主要表现为前刀面磨损、后刀面磨损、微崩刃、剥落和破损等，而且前刀面磨损表现为切削刃处磨损最大的斜面磨损形式，随着切削速度提高，磨损区域减小，但磨损深度增加［7］。龙震海等用硬质合金刀具高速干式铣削高硬度、高强度的材料时发现刀具磨损发生变化，表现出前、后刀面磨损失效、主切削刃微崩以及刀尖崩塌等形式，刀具的主要失效形式为前刀面月牙洼磨损和前刀面剥落［8］。但在高速切削导热性差的材料时，切削区域的剧烈摩擦产生大量的热，无法及时散发，造成刀—屑摩擦副表面受热作用大、深度浅、温度梯度大，表面温升将会引起刀—屑接触区间原子或分子的扩散，造成材料表层物理—机械性能的改变以及摩擦性能（摩擦系数、摩擦力）和接触面上的磨损形式发生变化［9］。

2.2 工件材料对刀具磨损的影响

CFRP具有碳纤维硬度大、材料各向异性、低导热性的特点。切削时，刀具要承受基体和纤维的双重磨损。在一定的切削长度下，硬质点碳纤维连续磨耗刀具，加快刀具磨损。而相对于纤维，树脂基体对刀具磨损的影响要小。文献［10］以硬质合金铣刀铣削CFRP，观察刀刃破损的SEM图发现，刀具前、后刀面均有磨损，但后刀面质点磨损最严重。高速钻削时，发现刀具磨损是从中心向外缘加大，且多发生在后刀面和横刃处，尤以后刀面磨损最大［11］。这均是由于CFRP在切削过程中，切断的硬质碳纤维回弹，挤压后刀面，从而增大了后刀面与被加工材料间的接触压力，高硬度的纤维断口高速摩擦后刀面，使后刀面产生严重的质点磨损。此外，由于CFRP的低导热性，使大量的切削热传向刀具，加速了刀具的磨损。

近十几年来，人们做了大量的试验，发现优化刀具结构及几何参数，可以解决切削热的问题，再选用耐热性好的刀具材料，就可以控制刀具的磨损速度。

3 刀具材料、结构及几何参数的研究

3.1 刀具材料的研究

由于CFRP的切削加工朝着高精度、高速、干切削的方向发展，因此对刀具材料提出高硬度、耐热、耐磨、抗粘结的要求。传统的各种刀具材料都难以满足该要求，寻找更适合的刀具材料以满足CFRP长时间的稳定高速切削成为趋势。

巴西的J.R Ferreira等人研究刀具材料对CFRP切削的影响，采用车削方式，试验包括陶瓷、硬质合金、立方氮化硼（CBN）和聚晶金刚石等不同刀具材料，结果表明聚晶金刚石刀具具有非常高的耐磨性，特别适合CFRP等的高速切削加工［12］。龚清洪等人的试验表明：CVD（化学气相沉积）金刚石涂层刀具对CFRP的切削性能优于聚晶立方氮化硼刀具和硬质合金刀具［13］。肯纳金属公司研究发现金刚石涂层刀具比未涂层刀具的寿命提高10倍，且12μm涂层刀具有最佳的寿命价格比［14］。

金刚石具有很高的硬度和弹性模量、良好的导热性、很小的热膨胀系数、低摩擦系数以及较低的断裂韧性，除断裂韧性不足外，金刚石是良好的超硬刀具材料［15］。人造金刚石（PCD）刀具有钎焊PCD刀片、在切削刃处烧结PCD和金刚石涂层等。随着CVD、PVD（物理气相沉积）技术在硬质涂层的应用发展，金刚石涂层可以大大改善刀具的切削性能。与PCD比，CVD膜金刚石有更高的耐磨强度、更好的热传导性、更长的使用寿命、更低的造价，但CVD涂层较厚，降低了切削刃的锋利性，甚至会使切削刃的几何形状发生偏离。而PCD刀具在断裂强度方面占有优势，近年发展的PVD涂层技术相比CVD涂层技术，具有沉积温度低、不影响基体材料强度、涂层光滑、抗裂纹扩展能力强、环保等优点。因此，PVD是未来发展的趋势［16，17］。

3.2 刀具结构及几何参数的研究

CFRP加工中需解决的主要问题是切削热和分层的问题。合理地选择刀具的结构和几何参数，可以减小切削力，利于断屑、排屑，减少磨损，减少切削热的产生，降低零件表面粗糙度。

CFRP在钻孔时的粉末状切屑主要集中在钻头的磨料层。钻孔时，这些切屑对材料进行研磨，产生的大量热无法及时散发，加速了钻头的磨损，降低了钻头寿命。大连轻工业学院的张伟等人对带锥体的电镀金刚石钻头与硬质合金导向钻头合成的复合钻进行研究发现：金刚石耐磨的特性能提高钻头的寿命；而采用分屑槽结构则可以像麻花钻的螺旋槽一样容屑、排屑，使热量及时散发，延长了刀具的使用寿命［18］。另外有的钻头采用中心直刃钻尖设计，可以防止孔口出现撕裂；有的钻头采用八面体钻尖结构，其钻尖副切削角具有自定位功能，且有更多的刀刃同时参与切削，延长了刀具寿命；还有一种双刃带结构的定心阶梯钻头，可以提高钻削精度 。

目前铣削时常用螺旋刃立铣刀或直刃刀具，它们的切削刃都比较长，也不锋利，增大了切削时的阻力，刀具更容易磨损。为此，研究人员将切削刃变短、变多，不仅使切削刃锋利，而且大大降低了切削阻力，这种新型的“鱼鳞式”铣刀在高速切削时，可以达到以铣代磨的效果。此外，为解决复合材料层间剪切强度低，铣削时产生层间分层的问题，人们将铣刀的侧刃采用左右对称双螺旋刃结构，很好地避免了分层或抽丝的现象［19，20］。

总之，尖锐的刀具切削角是减少切削热的关键之一，建议刀具采用大正前角，以减小切削力，最大限度地减少发热。适当增大刀具后角，防止刀具切削刃与工件摩擦发热，增大刀尖圆弧，以改善散热。为防止产生层间剥离，铣刀和钻头宜采用双向螺旋式结构［21］。

4 结束语

碳纤维复合材料的广泛应用，对高速切削加工中刀具的切削质量和性能、使用寿命及控制成本提出了更高的要求。随着新型刀具材料的应用、各种涂层技术的发展、刀具结构和几何参数的优化，人们必将研制出更适合碳纤维复合材料高速切削的刀具。

［1］ 周鹏.碳纤维复合材料工件切削表面粗糙度测量与评定方法研究［D］.大连：大连理工大学，2011：8－11.

［2］ 徐宏海，徐倩，刘东.碳纤维复合材料高速铣削实验研究［J］.机械设计与制造，2009（12）：167－169.

［3］ 颜聪明，林有希.高速切削摩擦学研究［J］.工艺与装备，2010（10）：102－106.

［4］ 胡宝刚，杨志翔，杨哲.复合材料后加工技术的研究现状及发展趋势［J］.宇航材料工艺，2000（5）：24－27.

［5］ 鲍永杰.碳纤维增强复合材料钻削的若干研究［D］.大连：大连理工大学，2006：4－38.

［6］ 张厚江，陈五一，陈鼎昌.碳纤维复合材料切削机理的研究［J］.航空制造技术，2004（7）：57－59.

［7］ 刘占强，艾兴.高速切削刀具磨损表面形态研究［J］.摩擦学学报，2002，22（6）：468－470.

［8］ 龙震海，王西彬，刘志兵.高速铣削难加工材料时硬质合金刀具前刀面磨损机理及切削性能研究［J］.摩擦学学报，2005，25（1）：83－86.

［9］ 郑敏利，范依航.高速切削典型难加工材料刀具摩擦与磨损机理研究现状［J］.哈尔滨理工大学学报，2011，16（6）：22－29.

［10］ 张毅.超声振动铣削碳纤维复合材料刀具磨损研究［J］.机电工程技术，2010，39（6）：63－65.

［11］ 李桂玉，李剑峰，孙杰，等.硬质合金钻头钻削碳纤维增强复合材料工艺［J］.粉末冶金材料科学与工程，2010，15（6）：580－585.

［12］ Ferreira J R，Coppini N L，Neto F Levy.Characteris－tics of carbon－carbon composite turning［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，109（l）：65－71.

［13］ 龚清洪，林勇，夏雪梅，等.碳纤维复合材料数控加工研究［J］.机械设计与制造，2008（12）：176－177.

［14］ 张宪.如何切削加工复合材料［J］.工具展望，2013（1）：2－8.

［15］ 于启勋，全燕鸣.超硬刀具切削复合材料的实验研究［J］.河北科技大学学报，2002，23（2）：1－6.

［16］ 伊斯卡刀具国际贸易（上海）有限公司.先进复合材料机加工解决方案［J］.航空制造技术，2012（17）：106－107.

［17］ 林有希，高诚辉，唐旭晟.切削刀具PVD涂层技术的研究与发展［J］.机电技术，2003（S1）：88－92.

［18］ 张伟，张林波，杨继新，等.钻削碳纤维复合材料用钻尖刃型分析［J］.航空制造工程，1997（5）：26－27.

［19］ 唐臣升.复合材料高效加工刀具技术［J］.航空制造技术，2013（6）：47－51.

［20］ 李晓峰，李研，霍琰，等.加工复合材料铣刀的研制［J］.装备制造技术，2011（4）：162－164.

［21］ 路宗新.碳纤维树脂基复合材料铣削加工技术［J］.煤矿机械，2009，30（10）：102－103.