论切削刀具对复合材料切削表面粗糙度影响的研究

摘 要：切割过程中的复合材料主要是指碳/碳（C/C）复合材料，它是一种纯碳多相结构，由碳纤维或碳纤维织物作为增强相，热解碳被化学蒸汽或树脂碳渗透，沥青碳被液相浸渍而成。碳/碳（C/C）复合材料具有优良的性能。与传统材料相比，该材料的强度、模量、断裂韧性、热导率、隔热性能和密度等性能优异，在许多领域得到了广泛的应用。就我国的实际情况而言，碳复合材料的研究重点是航空航天等前沿科技领域，在普通民用领域相对较少，对材料内部细节、结构和性能的控制研究较少。因此，碳碳复合材料的研究还有很长的路要走。

关键词：切削刀具;复合材料;切削表面;粗糙度;影响

1 机械加工零件表面粗糙度

在使用刀具加工零件的过程中，这将取决于刀具的形状、材料、刃磨质量和加工工艺。会使部件表面形成细微的谷峰状的起伏波澜，导致其表面的光滑程度下降，这会影响部件在使用过程中的性能下降。零件的性能与其表面的粗糙度成正比。影响切削刀具几何形状主要有材料和刃磨质量的两个因素。根据切削工具的幾何角度和形状，应适当增加切削工具的切削刃几何形状以减小部件的表面粗糙度。但是，如果前缘几何形状太大，则表面粗糙度不会降低。当前角度恒定时，后角越大，切削刃的钝边缘半径越小，刀具的切削刃越锋利;增加后角还有助于减少切割表面和成品工艺的表面挤出和摩擦，并且更有利于降低加工产品表面的粗糙度。然而，当后角过大膨胀时，组合边缘趋于流向侧面，并且易于发生切割振动，这会导致加工表面的粗糙度增加。如果减少主偏角和负偏角的数量，则可以减小加工产品的表面粗糙度值，并且切削工具可以具有较小的前刀面和后刀面本身的粗糙度。

2 切削刀具对复合材料切削表面粗糙度测定实验

（1）实验用具和实验记录参数。对切削表面粗糙度进行测量的仪器为复合材料表面粗糙度测试仪，本文所基于的实验所用型号为英国TaylorHobson公司生产的Talyscan150型表面粗糙度测试仪，这种测试仪可以使用探针接触式与激光非接触式两种方法对粗糙度进行评测，精度和容错率较高，此实验使用的测定方法为激光非接触式。

实验材料为碳纤维体积含量在50%以内的三向正交结构碳/碳复合材料，分为铣削和车削两种。

铣削材料的尺寸数据为20*20*10（mm），采样速度为5.5mm每秒，采样面积为8mm*8mm，间距为5微米;车削材料的尺寸为直径Φ19mm，长度L30mm，采样速度为5.5mm每秒，采样面积为8mm*8mm，采样间距为5微米，与铣削材料一致。注意在对车削材料进行采样时要在多个不同的位置进行测量，一般为四个，对这四个值取平均值，以减小误差。

（2）制作刀具的材料对复合材料切削表面粗糙度的影响测定。1）铣削碳/碳复合材料。实验所用刀具材料包括三种：CBN刀具即立方氮化硼刀具、PVD金刚石刀具以及氧化铝刀具，刀具转速为3500转每分钟、F值为200毫米每分钟、铣削深度为0.5毫米的条件下对碳/碳复合材料进行铣削，得出表面均方根偏差Sq，对Sq进行分析。2）车削碳/碳复合材料。车削碳/碳复合材料所用刀具材料包括三种：CBN立方氮化硼刀具、PCD多晶聚晶金刚石刀具、碳氮化钛涂层硬质合金刀具。刀具切削速度为53.694米每分钟，工件进给量为0.1毫米每转，刀具进行切割的深度为0.5毫米，得出表面均方根偏差Sq，对Sq进行分析。

所得结果为：CBN立方氮化硼刀具对碳/碳复合材料进行车削的粗糙度最大，为9.609微米，远超其余两种刀具;PCD多晶聚晶金刚石刀具所车削的粗糙度位列中间，为4.767微米;而碳氮化钛刀具进行车削的表面粗糙度最小，为4.612微米。

综合上述实验数据可以得出，在切削参数相同的条件下，使用CBN立方氮化硼刀具进行车削加工和铣削加工后，碳/碳复合材料的表面粗糙度均较大，因此在进行碳/碳复合材料切削加工时尽量不要使用CBN刀具进行切削，以免影响切削效果。

3 刀尖圆弧半径对复合材料切削表面粗糙度测定实验

（1）刀尖圆弧半径对复合材料切削表面粗糙度影响。实验所使用的刀尖圆弧半径包括三种，分别为0.2毫米、0.8毫米以及2毫米，所使用的刀具统一为PVD金刚石刀具，切削的速度为53.694毫米每分钟，刀具的进给量为一毫米每转，切削的深度为0.5毫米。得出表面均方根偏差Sq，对Sq进行分析。在实验中除了对碳/碳复合材料进行了切削和表面粗糙度测定之外，还对碳/苯基复合材料进行了相同过程。

所得实验结果为：对于碳/碳复合材料，随着刀尖半径的增大，复合材料的Sq参数逐渐减小，由24微米减小至11微米。对于碳/苯基复合材料而言，总体趋势也是如此，只是数据发生了变化。

（2）刀尖圆弧半径对复合材料表面形貌特征的影响。复合材料的表面形貌特征包括四种：表面锐度、表面纹理、表面波长组成和表面振幅分布的斜率。实验中使用的刀尖圆弧半径与上一次实验相同，其他参数相同。分别对碳/苯基复合材料和碳/碳复合材料进行切割实验，并对结果进行统计分析。

结果表明，随着刀尖半径的增大，表面振幅分布的斜率减小，驼峰度随刀尖半径的增大而增大，表面纹理特征随刀尖半径的增大而增大，表面波长组成随刀尖半径的增大而增大。碳/苯基复合材料的表面结构特征与碳/碳复合材料相反。驼峰、表面振幅分布斜率和表面波长组成的变化趋势相同。

从实验结果可以看出，复合材料的表面形貌特征与普通金属材料相似，受工具弧半径等特性的影响，但具体影响范围不同。因此，这种影响在切削作业中是不可忽视的。

4 结论

结合以上研究过程，可以看出不同材料的刀具对复合材料表面粗糙度的影响是不同的，不同切削方法得到的结果也不同。例如，立方氮化硼刀具在切削和铣削时的粗糙度最大。刀尖圆弧半径对复合材料的粗糙度和形貌也有相应的影响。因此，应根据切削要求选择不同的刀具参数进行切削加工。还应注意，上述因素对碳/苯基复合材料和碳/碳复合材料的影响不同，因此在切割复合材料时有必要分析具体条件。

参考文献：

[1]田文生，乐兑谦.纯铁的切削性能研究[J].太原科技大学学报，2018，11（02）：17-24.

[2]徐东鸣，黄明，夏志辉.金属陶瓷车削纯铁材料的切削性能研究[J].现代制造工程，2018，11（05）：85-88.

推荐访问:切削 复合材料 刀具 表面 影响