芳綸纖維復合材料高速鉆削刀具磨損機理研究

禹杰，林有希，范宜鵬

（福州大學 a.機電工程實踐中心；b.機械工程及自動化學院，福州 350116）

芳綸纖維復合材料（AFRP）是一種新型高科技特種復合材料，具有高強度、高模量以及優越的抗沖擊性能等優點[1—4]，因此，在航空航天、汽車、船舶制造和軍工裝甲防護等領域具有廣闊的運用前景[5—7]。由于芳綸纖維的結構具有各向異性、非均勻性、高韌性及導熱性差等[8—9]特點，導致AFRP材料在鉆削加工時的切削力增大，切削熱升高，加劇了刀具的磨損，惡化了鉆削環境與性能，對孔質量與完整性產生了顯著的影響[10]。

目前，國內外對AFRP鉆削過程刀具磨損機理的研究越來越多。A.N.Shuaib等[11]采用TiN涂層刀具對芳綸纖維復合材料進行鉆削試驗，分析了后刀面的磨損規律，得出刀具磨損的復雜磨損機理，且分3個區域探討了刀具失效形式。D.Iliescu等[12]對纖維復合材料進行鉆削試驗，研究表明刀具磨損量與切削速度vc成線性正比關系。普通刀具的磨損量與加工孔的個數成冪指數關系，而涂層刀具磨損在涂層未脫落之前先是呈線性關系，涂層脫落后則是遵循普通刀具的磨損規律。Konig等[13]認為刀具磨損程度與纖維的類型、纖維方向角和體積分數有顯著關系。刀具磨損表現為切削刃鈍圓半徑變大、刀尖崩裂及刀刃磨損，刀尖圓弧半徑磨損影響程度與鉆削深度成正比。復合材料加工中刀具的磨損將直接影響刀具壽命和材料的加工質量，因此，研究芳綸纖維復合材料鉆削過程中的刀具磨損機理，對改善工件表面質量，提高加工效率與降低成本具有很重要的意義。

現有對刀具磨損機理的研究主要集中于常規鉆削方式下，而很少有涉及高速鉆削狀態下，且對磨損機理缺乏更深入的分析。文中采用TiAlN涂層刀具對芳綸纖維復合材料進行高速鉆削試驗，分析了刀具磨損規律，并對刀具磨損微觀形貌進行觀測，深入研究了刀具的失效形式與磨損機理，推動了高速鉆削技術在復合材料中的應用，并為鉆削刀具的選用及性能優化提供理論與試驗依據。

1 試驗

試樣材料為日本帝人生產的黑色平紋芳綸纖維增強環氧樹脂基復合層壓板，板材厚度為4 mm，共12層。采用數控雕銑機SXDK6050D對AFRP板材進行高速鉆削試驗，通過前期試驗總結，選取合適的切削參數，其中主軸轉速n=15 000 r/min，每轉進給量f=0.15 mm。試驗選用TiCN涂層的超細微碳化鎢晶粒麻花鉆，試驗中，鉆孔個數每達到 30，采用超聲清洗機清洗刀具表面附著的切屑粉末，避免影響檢測結果。然后采用Leica M205FA體式顯微鏡測量刀具后刀面的磨損量 VB值，借助場發射掃描電鏡 Nova NanoSEM 230對刀具磨損微觀形貌進行觀測，并使用能譜分析對刀具后刀面磨損處化學成分進行分析。

2 結果與分析

2.1 刀具磨損規律

TiAlN涂層刀具后刀面磨損量隨鉆孔個數的變化曲線見圖1，可知，刀具磨損主要分為3個不同階段：初期磨損階段、穩正常磨損階段、急劇磨損階段。在初期磨損階段，TiAlN涂層刀具的磨損率較大，由于新刀刃較為鋒利，與工件接觸面積較小而形成高載荷摩擦學系統，產生較高的接觸應力，接觸點粘著磨損嚴重[14]。當鉆孔個數為90時，刀具后刀面磨損值VB為0.176 mm。在正常磨損階段，刀具后刀面VB值緩慢上升，刀具切削處于相對穩定的狀態。此時切削刃鋒利度下降，但與對偶表面的接觸面積增大，接觸應力下降，同時TiAlN涂層具有較高的熱導率以及硬度，加強了刀具的切削性能，因此刀具的磨損速率較小。當鉆孔個數為270時，刀具后刀面磨損值VB為 0.276 mm。急劇磨損階段，切削刃被磨鈍且出現不同程度的剝落、崩刃等缺陷，刀具的加工性能嚴重下降，加工過程的切削力增大與切削熱上升，惡化刀具加工條件，加劇刀具的磨損。此時刀具的磨損速率較大，并在加工過程中產生激烈的噪聲和難聞的纖維燒焦的氣味，刀體上還粘著燒焦的纖維和樹脂材料。當鉆孔個數達到300時，刀具磨損量超過了磨鈍標準VB值0.3 mm。

圖1 后刀面磨損規律Fig.1 Wear law of tool flank face

2.2 刀具磨損機理

2.2.1 涂層磨損

TiAlN涂層刀具后刀面磨損區域的 SEM及能譜分析見圖2，通過觀察后刀面不同區域的元素含量的變化，可知涂層材料先從切削刃磨損脫落，然后磨損帶逐漸往后刀面擴張。其中，磨損區域主要的元素是W和Co元素，為刀具基體的元素成分，還發現部分的 O元素，說明有發生氧化磨損。未磨損區域主要的元素為Ti,N,Al,C和O元素，其中Ti,N,Al元素主要來源于刀具涂層，說明涂層完全覆蓋了刀具基體。C和O元素為工件材料，表明工件切屑粘附在刀具表面。在鉆削過程中，芳綸纖維復合材料中芳綸纖維硬度較高，在已加工表面的彈性回復作用下，芳綸纖維對刀具后刀面發生摩擦磨損作用。同時，切屑中的芳綸纖維磨粒對后刀面形成磨粒磨損，導致后刀面涂層材料疲勞破壞，造成涂層的剝落或者脆裂。

圖2 涂層磨損及能譜分析Fig.2 Analysis on coating wear and energy spectrum

2.2.2 磨粒磨損

刀具與復合材料在摩擦剪切過程中，在兩者接觸界面滾動的硬質顆粒，如纖維顆粒、涂層顆粒等，會形成三體磨粒磨損，對后刀面產生極高的接觸應力，易壓入后刀面而產生壓痕，形成凹坑或裂紋。為后刀面切削刃微觀形貌見圖3，可知，刀具后刀面由磨粒磨損造成許多凹坑和較大的劃痕。加工過程中，當磨粒沿刀具切線方向運動時，兩者之間產生接觸應力，此時刀具表面出現微小的犁溝狀的劃痕。如果磨粒運動方向恰好正對刀具表面，此時磨粒與刀具表面之間發生擠壓碰撞，產生較大的壓應力。除此之外，硬質磨粒向前推動的作用，必然使刀具基體材料發生退讓現象?；w材料被這些硬質磨粒推到兩側和前方，在這個過程中這些基體材料產生塑性變形。由于晶粒之間存在粘結力作用，刀具表面基體材料并沒有脫離母體，而是堆擠在磨粒劃過的溝槽兩側，最終在刀具表面磨出較深的溝槽。

圖3 后刀面切削刃微觀形貌Fig.3 Microscopic morphology of tool flank face

2.2.3 粘結磨損

粘結磨損主要發生在刀具的前后刀面，由于后刀面磨損嚴重，生成的粘結物易被磨損剝落，而前刀面磨損較小可以直接觀察到。前刀面粘結物掃描電鏡見圖4，粘結物能譜分析見圖5，可知粘結物的主要成分由C和O元素構成，兩種元素質量分數達到70.87%和 23.68%，還有一些微量的刀具基體材料元素，說明粘結物主要是復合材料的切屑構成。粘結物生成的主要原因有兩方面：一方面是由于切屑受機械載荷的作用，切屑與前刀面不斷發生碰撞，微小切屑容易鑲嵌在刀具表面固化形成粘結物；另一方面，斷屑沿刀具前刀面排出，與刀面表面產生劇烈的摩擦，在一定應力和溫度場的條件下兩者之間產生相互的粘著力。在粘著力作用下切屑粘結在刀具基體材料晶?？p隙之間形成，有的則是粘結在涂層脫落的凹坑處，最終表現出大小不一的島鏈式粘結物。粘結物在刀面表層發生剪切斷裂和撕裂作用，使刀具涂層以及刀具基體材料隨粘結物一起脫落，如此循環過程，最終造成前刀面粘結磨損。粘結物的產生降低斷屑排出的效率，加大斷屑與刀具的摩擦作用，使刀具前刀面螺旋槽的溫度上升，使刀具切削性能下降。

圖4 前刀面粘結物SEMFig.4 SEM of adhesive object on tool rake face

圖5 粘結物能譜分析Fig.5 Analysis on energy spectrum of adhesive object

2.2.4 氧化磨損

在高速鉆削過程中，刀具與工件材料之間產生劇烈摩擦作用，當溫度達到一定條件時，刀具基體材料容易與空氣中的氧元素發生氧化反應形成若干層氧化膜，如Al2O3,CoO,WO3等。這些氧化膜極容易在鉆削過程中不斷被磨去，使刀具基體材料的損耗形成氧化磨損。

TiAlN涂層刀具后面磨損區能譜見圖6，其中O元素的質量分數為3.99%，說明發生了氧化磨損。在涂層未被磨去時，TiAlN涂層材料中的 Al元素，容易發生氧化反應形成致密的氧化膜Al2O3。這種氧化物阻礙了氧化磨損的速度，對刀具表面有一定的保護作用。當涂層被磨去，刀具基體材料裸露在空氣中，切削熱逐漸積累達到溫度 300 ℃左右，基體粘結劑Co元素開始發生氧化反應而被氧化成CoO和CoO4。這些氧化物較軟，在劇烈的機械沖擊下，易剝落而形成凹坑?；w材料WC的氧化溫度為460 ℃[15]，而鉆削溫度較難達到WC氧化溫度，WC發生氧化反應的效果不明顯。

圖6 刀具后刀面磨損區域能譜Fig.6 Analysis on energy spectrum of wear area on flank face

3 結論

采用TiAlN涂層刀具對AFRP材料進行高速鉆削試驗，分析了刀具磨損隨孔加工個數的變化規律，并對刀具磨損微觀形貌進行分析，深入研究了刀具磨損的機理。得出以下結論。

1）刀具磨損主要有3個階段：初期磨損階段、穩定磨損階段、急劇磨損階段，各階段磨損速率各不相同，穩定磨損階段為最小，急劇磨損階段為最大。

2）涂層刀具的失效形式為涂層與基體材料剝落以及后刀面磨損，磨粒磨損為主要的磨損形式，同時伴隨著不同程度的粘結磨損和氧化磨損，使后刀面形成諸多凹坑和劃痕。