碳纤维复合材料切削加工研究进展

2021-04-02姜飞龙张国朋许佩敏段博译

中国铸造装备与技术 2021年3期

姜飞龙，张国朋，许佩敏，段博译

(西安菲尔特金属过滤材料股份有限公司，陕西西安 710000)

0 引言

碳纤维复合材料是以碳纤维为增强体，树脂、金属、陶瓷等为基体的一种增强型复合材料。具有高比强度、高比模量、耐高温、性能设计好等优点[1]，有效的提高了航空航天器的性能，大大减轻了航空航天器的重量和制造成本，已经成为卫星、火箭等现代航空航天器的理想材料[2]。在制作碳纤维复合材料时，常采用模压成型、纤维缠绕等方法进行整体塑性，但是该加工方法精确度较差，无法满足精密件的需求，因此还需进行切削、磨削等后处理加工来获得良好的表面质量[3]。由于在加工过程中复合材料力学性能和热学性能两个因素的影响，再加上CFRP 中基体和纤维的相互作用，使CFRP 和常规金属及其合金具有不同的材料属性，切削加工更加困难[4]。CFRP 材料具有各向异性，在切削加工过程中，易产生毛刺、纤维撕裂、分层、崩边等加工缺陷，严重影响了工件的强度和疲劳寿命[5]。切削力和切削温度的变化对加工过程产生很大的影响，切削力可以在工件分层处引起基体的开裂，高速切削和材料本身的低导热性能产生的高温会引起树脂的溶解等[6]。切削力和切削温度的大小也会直接影响刀具的使用寿命，并且影响工件的表面完整性（表面粗糙度、残余应力、加工硬化）。

本文首先对碳纤维复合材料加工方法的研究现状进行了综述，对加工过程中的切削力、切削温度的影响因素及影响因素的主次关系进行了分析，介绍了影响碳纤维复合材料表面完整性的因素和改进表面完整性的方法。

1 碳纤维复合材料机械加工方法分类

在碳纤维复合材料应用之前，对其进行机械加工以保证满足各方面装配要求是不可缺少的[7]。目前，复合材料的机械加工方法有很多种，从材料的种类、设备投资、加工工艺的适用性等方面考虑，再结合碳纤维复合材料的力学性能，把机械加工方法暂分为传统机械加工、非传统机械加工（高级机械加工和混合式机械加工）。传统机械加工方法一般包括车削、铣削、钻孔等，高级机械加工包括激光切割、水柱切割等，混合式切割包括激光辅助切割、振动辅助切割等[8]。它们各有优缺点，就传统机械加工而言，优点是加工成本低、适用性强、操作方便等，基本可以满足大多数复合材料加工要求，但对于形状复杂的工件就较难实现加工，并且在加工过程中工件表面质量相对较低、切屑产生较多，同时也存在着刀具磨损快等问题。非传统机械加工方法在切削加工过程中引进了激光等先进技术，提高了生产效率、降低了工件表面的损伤、适用于大批量加工等，但是该方法加工成本较高、见效慢，故适用于大批量加工。就适用性和设备价格综合考虑，过去几十年，国内外学者的研究以传统加工较多，通过仿真和实验，找到影响材料表面质量等的因素，并通过改变这些因素或者添加材料等，以进一步提高复合材料性能。随着航空航天领域对零件表面质量要求越来越高，部分学者或者机构已经开始在激光切割等先进加工方法上进行深入研究。

2 碳纤维复合材料切削力和切削温度

2.1 切削力

在CFRP 切削过程中，切削力是一项重要的性能参数，其大小直接影响着切削热的产生、刀具寿命以及工件表面质量，可以通过切削力的变化规律对切削过程进行分析，因此，切削力的研究已成为切削过程中的重要研究方向。

研究表明，切削力是影响复合材料分层的主要因素，适当的控制切削力可以有效的降低分层等缺陷[4]。故研究切削过程中切削力的变化规律就显得尤为重要。影响切削力的因素也有很多，如刀具类型、切削参数、切削方法、材料自身属性等。国内外学者通过不同的加工方法对CFRP 切削力的研究进行了仿真和实验，Kumar[9]等采用田口稳健设计方法进行车削实验，该实验综合考虑了刀具半径、刀具角度、进给速率、切削速度、切削深度和切削环境等工艺参数，对各种因素的相对重要性进行了分析，并运用帕累托遗传算法（DBPGA）优化切向力和进给力，预测了切向力和进给力的最优值，并与实验进行比较，结果相当接近。Rafal-Rusinek[10]在铣削实验过程中通过改变进给量的值，观察切削力的变化，得出切削力随着进给量的增大呈现稳定上升，同时也发现了进给量越大，刀具磨损越严重。徐倩[11]等采用正交试验法研究了磨削参数对航空碳纤维复合材料磨削力的影响，研究表明，磨削参数对磨削力影响主次关系依次是磨削深度、砂轮线速度、工件进给速度，并得到了复合材料磨削力的经验公式，可作为后续研究的参考对照依据。

2.2 切削温度

切削热通常是指在切削过程中，刀具和工件之间由于剧烈摩擦，使刀具和工件温度升高，产生的热量。由于材料的导热性能差，并且CFRP 的加工一般是高速切削，使得切削过程中产生的热量不能及时散发出去。切削热会引起工件的热软化甚至热降解，尤其是基体材料和温度变化对其有很大的影响[12]。并且刀具温度对刀具的切削性能也会产生显著的影响，切削过程中切削温度的控制，将直接影响刀具的磨损程度和刀具使用寿命。对于复合材料温度变化的研究，现大多都是关于对复合材料成型制备时的热分析，关于在二次加工中温度对复合材料及刀具的影响很少提及。Oliver Pecata[13]研究了工件温度对表面质量的影响，实验中工件纤维取向为90°，切削速度设为100m/min，工件温度分别为-40℃，20℃，80℃，120℃，研究发现，在低温-40℃、20℃时易产生裂缝等现象，在高温时可以避免，但是在120℃时在亚表层会出现热损伤，发现在80℃时可以同时有效的降低由于低温产生的裂纹和高温产生的热损伤对工件表面的影响，可以获得较好的加工表面。Sreejith[7]等使用金刚石刀具进行了CFRP 的车削实验，用光学红外温度计测得切削区温度，结果表明，切削区温度随着进给量和切削速度的增加而稳定增加。朱国平[14]建立了复合材料温度场数学模型，通过热电偶和红外测温仪两种测温手段来验证所提出模型的正确性，通过改变工件的材料参数、刀具参数和工艺参数等来模拟仿真了不同条件下钻削过程中温度场的变化规律及分布。虽然有实验验证、分析预测和数值模拟等关于切削参数对切削温度的影响，但进一步的深入的研究却很少发现。鉴于材料中脂基的导热性差，其自身热传导性对于切削温度也有一定的影响，吴恩启[15]等利用红外热成像技术，研究了编织CFRP 在纤维束编织平面内的热传导规律，结果表明，CFRP在纤维束平面方向的热导规律与传导方向相关，编织方式及树脂分布对热扩散系数有直接影响。

3 表面质量

3.1 表面完整性

表面完整性通常指加工后工件表面的残余应力、粗糙度以及加工硬化。表面层残余应力可能引起变形，改变零件的形状和尺寸，从而影响配合精度；粗糙度影响装配的同时，也会加速零件表面的磨损；加工硬化则从材料内部影响工件的耐磨性，并且表面质量会对材料的疲劳裂纹的产生以及扩展产生一定的影响，工件表面完整性直接影响工件的可靠性和使用寿命。

在切削过程中，影响表面完整性的因素有很多种，大致可以分为加工工艺参数（切削速度等）、刀具参数（材料、角度等）、加工条件（机床选取等）和材料自身性质等。Palanikum[11]等用多晶金刚石刀具车削过程中，采用田口方法和响应面法来降低表面粗糙度，得出结论，高速车削、低进给量、切削深度较小的情况下可以获得光洁的表面质量。在大多数情况下，较高的切削速度和较低的进给量被应用，但是，在切削过程中，工件都有一个合适的切削速度和进给量，例如C/PEEK 的最优的切削速度是75m/min[16]，因此Schorník[17]为获得切削过程中进给量的最优值，采用CNC 机床做了切削实验，铣削类型分为顺铣和逆铣，其他条件都采用最优值，进给量设为150、200、250、300、350、400（mm/min），通过试验发现，当进给量为200mm/min时，获得的表面质量最好，在最优进给量条件下，顺铣比逆铣获得更加光洁的表面。Rajasekaran[18]等利用模糊逻辑算法比较进给速度、切削速度和切削深度对表面的影响，使用CBN 刀具进行切削加工，结果表明，进给速度对表面粗糙度的影响最大。并且粗糙度可以反应CFRP 的疲劳损伤状态，Zuluaga-Ramírez[19]提出了一种用非接触技术测量表面粗糙度来评估工件疲劳损伤状态的方法，避免了接触测试带来的人为误差。通过测量表面粗糙度的变化，可以表明疲劳载荷的损坏程度，这种方法也可以用于其他像玻璃纤维等材料疲劳损伤过程的检测。

3.2 表面缺陷

表面缺陷主要包括分层、撕裂、崩边等，相比于表面完整性而言，表面缺陷对工件的损坏程度更大，加工过程会引起纤维突起和纤维脱落，导致材料需要修复甚至报废[20]。分层会引起装配更加困难，分层现象轻微时需要重新加工，严重时，工件直接报废，浪费了大量的时间和金钱[21]。表面缺陷严重影响了复合材料加工在航空航天领域的发展，为了减少和避免表面缺陷的产生，研究人员从缺陷类型和影响工件表面质量的因素进行了广泛的研究。

查阅资料发现，在文献[15]中总结了切削加工过程关于钻削、车削、磨削和研磨的相关基本信息，可为我们的研究提供一些参考依据，但是最新的研究方法还未录用在内。研究发现，在铣边加工过程中，较高的切削速度和较低的进给量通常可以改善表面质量[22]。M.H.El-Hofy[23]通过碳纤维复合材料的铣槽实验，研究了操作参数、刀具材料和切削环境对复合材料表面粗糙度和表面完整性的影响。关于铣削的研究重点是成型铣削。W Hintze[24]通过铣槽实验研究了对不同纤维方向的碳纤维复合材料分层产生和扩张的原因，结果表明，纤维取向和刀具的锋利度对CFRP 的分层有着很大的影响。宋抒航[25]对普通碳纤维复合材料和添加炭黑颗粒碳纤维复合材料进行激光切割对比，结果表明：添加炭黑颗粒的碳纤维复合材料切口质量形貌明显好于普通碳纤维复合材料，且添加炭黑颗粒可以使切口表面裂纹数量明显减少，分层现象减轻。找到分层缺陷的位置与损伤程度的方法，使得材料在失效前提早发现非常重要，贾继红[26]等提出了具有时域局部放大能力的小波变换技术对信号进行分析，通过分析、对比最高层细节系数，提出了判定分层位置的思路，并判定了3 个复合板的分层损伤程度，总结给出了具体判定方法。