楊小璠 黃宗明 李友生 李凌祥 沈志煌
摘要：針對碳纖維復合材料銑削時易產生毛刺等加工缺陷的問題，分析了新型銑刀抑制毛刺產生的切削機理。選用未塗層的普通立銑刀、交錯刃立銑刀、菱齒型立銑刀以及金剛石塗層的菱齒型立銑刀，在相同切削條件下對碳纖維復合材料進行側銑試驗。通過對加工表面質量、刀具磨損以及刀具壽命的對比分析得出：交錯刃立銑刀和菱齒型立銑刀能有效抑制工件表面毛刺的產生；由於菱齒型立銑刀參與切削的刃數比交錯刃立銑刀多，抑制銑削毛刺產生的能力最好；金剛石塗層菱齒型立銑刀的使用壽命最長，其後刀面磨損緩慢，適合碳纖維復合材料的銑削加工。
關鍵詞：
碳纖維復合材料；交錯刃立銑刀；菱齒型立銑刀；加工表面質量；刀具磨損
DOI：1015938/jjhust201805006
中圖分類號： TG501
文獻標誌碼： A
文章編號： 1007-2683（2018）05-0030-05
The Mechanism of Burr Inhibition for Milling CFRP with New Type of Milling Tools
YANG Xiaofan1，HUANG Zongming2，LI Yousheng2，LI Lingxiang2，SHEN Zhihuang1
（1.School of Mechanical and Energy Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，China；
2.Xiamen Golden Egret Special Alloy Co， Ltd， Xiamen 361006， China）
Abstract：Concerning the machining defects such as burrs while milling Carbon Fiberreinforced Plastics（CFRP） with ordinary cutters，the cutting mechanism of the newtype end mills for suppressing the burrs generation in milling CFRP was analyzed Uncoated ordinary end mill， crossflute router， finecrossnick router and diamond coated finecrossnick router are selected to process the CFRP under the same cutting conditions The comparative analysis results of the surface quality， tool wear and tool life show that the crossflute router and finecrossnick router can effectively suppress the burrs occurrence of the workpiece surface The number of cutting edges the finecrossnick router involved are more than the crossflute router， so its ability of suppressing burrs is best And the effect of suppressing burrs of righthand end mill is worst The diamond coated finecrossnick router has the longest tool life and is most suitable for milling CFRP
Keywords：carbon fiberreinforced plastics（CFRP）；crossflute router；finecrossnick router；machining surface quality；tool wear
0引言
碳纖維復合材料（CFRP）具有輕質、高強度、高剛度、抗疲勞、耐熱和耐腐蝕等優異特性，在航空航天、汽車、體育用品等領域得到了廣泛應用，成為高性能復合材料的代表[1]。由於CFRP具有非均質及各向異性的特點，層間剪切強度低而碳纖維硬度高，在銑削過程中容易產生毛刺、纖維撕裂、分層等加工缺陷[2]。隨著應用領域對CFRP加工裝配要求的不斷提高，普通刀型的立銑刀很難滿足CFRP優質高效的加工要求，開發新型CFRP專用銑刀成為當前急需解決的問題[3-4]。CVD金剛石塗層具有高硬度、低摩擦係數、可在複雜形狀刀具上進行沉積等優點，是製作CFRP專用刀具的理想刀具塗層材料[5-7]。
多年來，國內外諸多學者為提高CFRP的加工質量展開了多方面的研究。Schulz等通過試驗發現刀具刃口半徑的變化會影響CFRP加工過程中碳纖維的斷裂形式，從而影響毛刺等缺陷的形成[8]。Hintze等在CFRP的銑槽實驗中發現加工缺陷與纖維方向角有關，90°纖維方向角易發生分層缺陷， 135°纖維方向角易在工件表面產生毛刺[9]。林有希等採用塗層（TiCN， TiA1N）與無塗層超細晶粒硬質合金立銑刀對CFRP進行高速銑削試驗，研究切削力、毛刺隨刀具磨損的變化趨勢[10]。周井文等採用金剛石塗層硬質合金銑刀對不同纖維方向的CFRP進行了順銑加工試驗，分析了每轉進給量和纖維方向對工件加工表面質量的影響[11]。目前國內針對CFRP加工專用新型銑刀的切削性能以及刀具磨損失效方面的研究較少[12-13]。
本文提出了可抑制CFRP銑削毛刺產生的新型刀具結構，並分析了新型立銑刀切削CFRP時抑制毛刺產生的加工原理。選用未塗層的普通右旋立銑刀、新型交錯刃立銑刀以及菱齒型立銑刀，對CFRP進行側銑加工試驗。在相同切削條件下，通過對工件加工表面質量、刀具壽命以及刀具磨損形貌的對比分析，研究了不同刀型結構對CFRP銑削毛刺的抑制能力；同時選用金剛石塗層菱齒型立銑刀對CFRP進行側銑加工，測試刀具壽命，以期為CFRP的銑削加工選擇合適的刀具提供依據。
1新型刀具結構抑制碳纖維復合材料銑削毛刺的切削加工原理
圖1所示為普通立銑刀銑削CFRP的示意圖。
普通右旋立銑刀在銑削過程中，右旋向的切削刃使得工件上、下表面的纖維層均受到斜向上切削力的作用，因此加工後工件的上表面易出現毛刺、撕裂，甚至是分層現象。反之左旋立銑刀銑削時加工缺陷易出現於下表面。
圖2所示為新型立銑刀銑削CFRP示意圖。交錯刃立銑刀將圓周切削刃分為上下兩個部分，採用近柄部刃左旋，近端部刃右旋的結構。加工時應使左右螺旋切削刃的交匯處始終保持在復合材料板厚的中間位置。由於左、右螺旋刃分別作用於工件的上、下表面，切削合力始終指向工件材料的中心，切削過程平穩，纖維層容易完全被切斷，從而抑制了工件上、下表面毛刺等加工缺陷的產生[14]。菱齒型立銑刀圓周上的菱形切削單元是通過在右旋切削刃上沿左旋向交錯開槽磨削形成的，每個菱形切削單元上同時有右旋刃和左旋刃，但是左、右旋切削刃的螺旋角大小不一樣，如圖3所示。在較高切削速度的作用下，左、右螺旋切削刃同時作用於纖維層材料，形成的剪切合力類似於剪刀原理，可將纖維層輕易剪斷，有效抑制工件表面毛刺、撕裂等加工缺陷的產生，提高加工質量[15]。
2試驗條件
試驗材料選用厚度為5mm的T700碳纖維/樹脂基復合材料層壓板，層鋪方式為[0°/90°/±45°]，碳纖維的體積百分比為（65±5）%。試驗刀具結構如圖4所示。
切削試驗在福裕立式加工中心QP2033L上進行，刀柄型號BT40KMC32105，刀具參數如表1所示，加工條件如表2所示。當刀具後刀面磨損量達到01mm即停止切削試驗。試驗中選用Keyence光學顯微鏡（型號：VHX100）觀察工件表面質量、刀具後刀面的磨損形貌及磨損量測量。
3試驗結果與分析
31刀具後刀面磨損量對比
圖5為3種刀型的立銑刀側銑碳纖維復合材料時刀具後刀面磨損曲線圖。從圖中可以看出，隨著切削距離的增加，無塗層立銑刀的後刀面磨損量增加都比較快，無明顯的正常磨損階段；金剛石塗層立銑刀的磨損曲線則存在著明顯的正常磨損階段和急劇磨損階段。當刀具後刀面磨損量達到01mm時，普通立銑刀切削距離僅為5m，交錯刃立銑刀切削距離為7m，菱齒立銑刀的切削距離約為11m。金剛石塗層菱齒立銑刀的切削距離約為60m，其刀具磨損最慢，刀具使用壽命最長。
32工件表面質量對比分析
圖6所示分別為相同的加工條件下，不同立銑刀側銑碳纖維復合材料的工件表面質量照片。圖6（a）為普通右旋立銑刀側銑1m後工件的表面質量照片，從圖中可以觀察到，工件上表面已出現輕微毛刺現象，下表面加工質量良好；繼續銑削加工至5m時，工件上表面出現了嚴重的毛刺現象，如圖6（b）所示，表面質量已經無法滿足加工要求，普通立銑刀抑制CFRP起毛刺的能力最差。圖6（c）所示為交錯刃立銑刀側銑碳纖維復合材料7m後工件的表面質量照片，工件上、下表面均無明顯的毛刺出現，加工質量良好，仍然可以滿足加工要求。由於交錯刃立銑刀的設計原理可以有效抑制復合材料上、下表面毛刺、撕裂等缺陷的發生，雖然此時刀具後刀面磨損量已達到01mm，但還可繼續使用。圖6（d）所示為菱齒型立銑刀側銑碳纖維復合材料11m後工件的表面質量照片，工件上、下表面加工質量良好，無明顯毛刺現象，可以滿足加工要求。由於菱齒型立銑刀在銑削過程中參與切削的刃數比交錯刃立銑刀多，從而顯著降低了刃口上的單位切削力，刀具磨損更緩慢。圖6（e）所示為金剛石塗層菱齒型立銑刀側銑碳纖維復合材料60m後工件的表面質量照片，工件表面質量仍處於良好狀態，無明顯毛刺現象，可以滿足加工要求。
33刀刃磨損對比分析
圖7為切削距離5m時普通右旋立銑刀的後刀面磨損形貌，圖8為切削距離7m時交錯刃立銑刀的後刀面磨損形貌，圖9為切削距離11m時菱齒立銑刀的後刀面磨損形貌。
由圖可以觀察到：普通立銑刀的後刀面磨損較均勻，交錯刃立銑刀的右旋刃和左旋刃磨損相對較均勻；菱齒型立銑刀的右旋刃磨損較左旋刃更嚴重，這與其左、右旋切削刃的螺旋角大小不等有關，左旋刃由於螺旋角較大，與工件接觸長度較短，因此刀具磨損區域較小。普通立銑刀磨損最快，這主要是由於普通立銑刀在結構上抑制碳纖維銑削毛刺的能力較差，切削加工不久後工件表面即出現毛刺，繼續切削時，工件毛刺會引起刀具振動，加快刀具磨損；交錯刃立銑刀和菱齒型立銑刀抑制碳纖維銑削毛刺的能力較強，由於菱齒立銑刀參與切削的刀刃數更多，故刀具使用壽命更長。
圖10所示為金剛石塗層菱齒型立銑刀的後刀面磨損形貌圖。由於碳纖維復合材料是一種典型的難加工材料，使用未塗層刀具進行切削加工時刀具急劇磨損，刀具壽命較低。金剛石塗層的硬度非常高，配合菱齒型立銑刀的刀型結構可顯著減緩刀具磨損，延長刀具使用壽命。從圖中可以看出，菱齒型立銑刀在切削距離為40m時，刀具右旋刃和左旋刃上的金剛石塗層均出現了磨損，其中右旋刃的磨損程度比左旋刃嚴重，但此時後刀面磨損區的金剛石塗層仍然存在，發揮著保護硬質合金基體的作用。在切削距離達到60m時，觀察到菱齒型立銑刀的右旋刃出現塗層剝落，露出了硬質合金基體。這主要是由於切削過程中，刀具後刀面塗層磨損區內的高硬度碳纖維切屑顆粒持續摩擦金剛石塗層，隨著切削距離不斷增加，金剛石塗層的厚度越來越薄，最終出現了塗層剝落，此時加工表面質量雖然仍可滿足要求，但刀具已進入急劇磨損階段，磨損速度加快。
4結論
本文針對碳纖維復合材料（CFRP）進行銑削實驗，從而研究不同刀型與該工件材料加工質量的匹配性。獲得結論如下：
1）普通立銑刀側銑CFRP時，指向工件表面的切削力容易導致毛刺等加工缺陷產生；新型的交錯刃立銑刀和菱齒型立銑刀在結構上都設計有左、右螺旋切削刃，側銑時刀具的左旋刃和右旋刃同時參與切削，切削合力指向工件內部而非表面，能夠有效地抑制工件表面毛刺的產生。
2）菱齒型立銑刀在銑削過程中參與切削的刀刃數比交錯刃立銑刀多，可以顯著降低單位切削力，刀具磨損更緩慢，抑制CFRP銑削毛刺的能力最好。
3）CVD金剛石塗層具有優異的耐磨性，配合菱齒型立銑刀的刀型結構可顯著減緩刀具磨損，提高加工表面質量，適合碳纖維復合材料的銑削加工。
參 考 文 獻：
[1]蘇飛碳纖維增強復合材料切削加工技術及其應用研究[D].南京：南京理工大學，2015：17-23.
[2]陳濤，苗光，李素燕 碳纖維復合材料切削加工技術研究進展[J].哈爾濱理工大學學報， 2016，21（2）：71-76
[3]何耿煌，李凌祥，程程，等.工件材料可切削性對可轉位硬質合金刀具加工經濟性影響規律研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2017，37（6）：62-69.
[4]陳燕，葛恩德，傅玉燦，等碳纖維增強樹脂基復合材料制孔技術研究現狀與展望[J].復合材料學報，2015，32（2）：301-316
[5]何耿煌，李凌祥，鄒伶俐，等.亞微觀倒棱切削刃對硬質合金刀片切削性能的影響特性研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2017，37（3）：46-54.
[6]KARPAT Y， DEGER B， BAHTIYAR O Experimental Evaluation of Polycrystalline Diamond Tool Geometries While Drilling Carbon Fiberreinforced Plastics[J]. International Journal of Advanced Manufacuring Technology， 2014， 71（8）：1295-1307
[7]鄧福銘，陳立，鄧雯麗，等微/納米金剛石復合塗層刀具的製備及切削試驗[J]. 人工晶體學報，2015， 44（10）：2728-2733
[8]SCHULZE V， BECKE C，PABST R Specific Machining Forces and Resultant Force Vectors for Machining of Reinforced Plastics [J].CIRP AnnalsManufacturing Technology， 2011，60（1）：69-72
[9]HINTZE W，HARTMANN D，CHRISTOPH S Oceurrenee and Propagation of Delamination During the Machining of Carbon Fibre Reilfforced Plastics（ CFRPs ） An Experimental Study[J]. Composites Science and Technology，2011，71： 1719 -1726
[10]林有希，禹傑，林華 碳纖維/樹脂基復合材料高速銑削的刀具磨損機理[J]. 中國表面工程，2016，29（5）： 138-145
[11]周井文，陳燕，傅玉燦，等進給速度對不同纖維方向CFRP銑削表面形貌的影響[J]. 復合材料學報，2015， 32（2）： 370-377.
[12]錢寶偉，劉巍，賈振元，等雙頂角鑽頭鑽削CFRP復合材料的刀具磨損機制[J]. 復合材料學報，2017， 34（4）： 749-757
[13]徐銀超，陳浩，曾滔，等切削參數對碳纖維復合材料制孔質量的影響[J]. 硬質合金，2016，33（5）：336-341
[14]楊小璠，鄢國洪，李友生，等新型交錯刃硬質合金立銑刀銑削碳纖維復合材料的研究[J]. 稀有金屬與硬質合金，2015， 43（4）：67-71
[15]鄢國洪不同塗層的硬質合金菱齒立銑刀銑削CFRP的性能研究[J]. 工具技術，2015， 49（10）：32-35
（編輯：王萍）
摘要：針對碳纖維復合材料銑削時易產生毛刺等加工缺陷的問題，分析了新型銑刀抑制毛刺產生的切削機理。選用未塗層的普通立銑刀、交錯刃立銑刀、菱齒型立銑刀以及金剛石塗層的菱齒型立銑刀，在相同切削條件下對碳纖維復合材料進行側銑試驗。通過對加工表面質量、刀具磨損以及刀具壽命的對比分析得出：交錯刃立銑刀和菱齒型立銑刀能有效抑制工件表面毛刺的產生；由於菱齒型立銑刀參與切削的刃數比交錯刃立銑刀多，抑制銑削毛刺產生的能力最好；金剛石塗層菱齒型立銑刀的使用壽命最長，其後刀面磨損緩慢，適合碳纖維復合材料的銑削加工。
關鍵詞：
碳纖維復合材料；交錯刃立銑刀；菱齒型立銑刀；加工表面質量；刀具磨損
DOI：1015938/jjhust201805006
中圖分類號： TG501
文獻標誌碼： A
文章編號： 1007-2683（2018）05-0030-05
The Mechanism of Burr Inhibition for Milling CFRP with New Type of Milling Tools
YANG Xiaofan1，HUANG Zongming2，LI Yousheng2，LI Lingxiang2，SHEN Zhihuang1
（1.School of Mechanical and Energy Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，China；
2.Xiamen Golden Egret Special Alloy Co， Ltd， Xiamen 361006， China）
Abstract：Concerning the machining defects such as burrs while milling Carbon Fiberreinforced Plastics（CFRP） with ordinary cutters，the cutting mechanism of the newtype end mills for suppressing the burrs generation in milling CFRP was analyzed Uncoated ordinary end mill， crossflute router， finecrossnick router and diamond coated finecrossnick router are selected to process the CFRP under the same cutting conditions The comparative analysis results of the surface quality， tool wear and tool life show that the crossflute router and finecrossnick router can effectively suppress the burrs occurrence of the workpiece surface The number of cutting edges the finecrossnick router involved are more than the crossflute router， so its ability of suppressing burrs is best And the effect of suppressing burrs of righthand end mill is worst The diamond coated finecrossnick router has the longest tool life and is most suitable for milling CFRP
Keywords：carbon fiberreinforced plastics（CFRP）；crossflute router；finecrossnick router；machining surface quality；tool wear
0引言
碳纖維復合材料（CFRP）具有輕質、高強度、高剛度、抗疲勞、耐熱和耐腐蝕等優異特性，在航空航天、汽車、體育用品等領域得到了廣泛應用，成為高性能復合材料的代表[1]。由於CFRP具有非均質及各向異性的特點，層間剪切強度低而碳纖維硬度高，在銑削過程中容易產生毛刺、纖維撕裂、分層等加工缺陷[2]。隨著應用領域對CFRP加工裝配要求的不斷提高，普通刀型的立銑刀很難滿足CFRP優質高效的加工要求，開發新型CFRP專用銑刀成為當前急需解決的問題[3-4]。CVD金剛石塗層具有高硬度、低摩擦係數、可在複雜形狀刀具上進行沉積等優點，是製作CFRP專用刀具的理想刀具塗層材料[5-7]。
多年來，國內外諸多學者為提高CFRP的加工質量展開了多方面的研究。Schulz等通過試驗發現刀具刃口半徑的變化會影響CFRP加工過程中碳纖維的斷裂形式，從而影響毛刺等缺陷的形成[8]。Hintze等在CFRP的銑槽實驗中發現加工缺陷與纖維方向角有關，90°纖維方向角易發生分層缺陷， 135°纖維方向角易在工件表面產生毛刺[9]。林有希等採用塗層（TiCN， TiA1N）與無塗層超細晶粒硬質合金立銑刀對CFRP進行高速銑削試驗，研究切削力、毛刺隨刀具磨損的變化趨勢[10]。周井文等採用金剛石塗層硬質合金銑刀對不同纖維方向的CFRP進行了順銑加工試驗，分析了每轉進給量和纖維方向對工件加工表面質量的影響[11]。目前國內針對CFRP加工專用新型銑刀的切削性能以及刀具磨損失效方面的研究較少[12-13]。
本文提出了可抑制CFRP銑削毛刺產生的新型刀具結構，並分析了新型立銑刀切削CFRP時抑制毛刺產生的加工原理。選用未塗層的普通右旋立銑刀、新型交錯刃立銑刀以及菱齒型立銑刀，對CFRP進行側銑加工試驗。在相同切削條件下，通過對工件加工表面質量、刀具壽命以及刀具磨損形貌的對比分析，研究了不同刀型結構對CFRP銑削毛刺的抑制能力；同時選用金剛石塗層菱齒型立銑刀對CFRP進行側銑加工，測試刀具壽命，以期為CFRP的銑削加工選擇合適的刀具提供依據。
1新型刀具結構抑制碳纖維復合材料銑削毛刺的切削加工原理
圖1所示為普通立銑刀銑削CFRP的示意圖。
普通右旋立銑刀在銑削過程中，右旋向的切削刃使得工件上、下表面的纖維層均受到斜向上切削力的作用，因此加工後工件的上表面易出現毛刺、撕裂，甚至是分層現象。反之左旋立銑刀銑削時加工缺陷易出現於下表面。
圖2所示為新型立銑刀銑削CFRP示意圖。交錯刃立銑刀將圓周切削刃分為上下兩個部分，採用近柄部刃左旋，近端部刃右旋的結構。加工時應使左右螺旋切削刃的交匯處始終保持在復合材料板厚的中間位置。由於左、右螺旋刃分別作用於工件的上、下表面，切削合力始終指向工件材料的中心，切削過程平穩，纖維層容易完全被切斷，從而抑制了工件上、下表面毛刺等加工缺陷的產生[14]。菱齒型立銑刀圓周上的菱形切削單元是通過在右旋切削刃上沿左旋向交錯開槽磨削形成的，每個菱形切削單元上同時有右旋刃和左旋刃，但是左、右旋切削刃的螺旋角大小不一樣，如圖3所示。在較高切削速度的作用下，左、右螺旋切削刃同時作用於纖維層材料，形成的剪切合力類似於剪刀原理，可將纖維層輕易剪斷，有效抑制工件表面毛刺、撕裂等加工缺陷的產生，提高加工質量[15]。
2試驗條件
試驗材料選用厚度為5mm的T700碳纖維/樹脂基復合材料層壓板，層鋪方式為[0°/90°/±45°]，碳纖維的體積百分比為（65±5）%。試驗刀具結構如圖4所示。
切削試驗在福裕立式加工中心QP2033L上進行，刀柄型號BT40KMC32105，刀具參數如表1所示，加工條件如表2所示。當刀具後刀面磨損量達到01mm即停止切削試驗。試驗中選用Keyence光學顯微鏡（型號：VHX100）觀察工件表面質量、刀具後刀面的磨損形貌及磨損量測量。
3試驗結果與分析
31刀具後刀面磨損量對比
圖5為3種刀型的立銑刀側銑碳纖維復合材料時刀具後刀面磨損曲線圖。從圖中可以看出，隨著切削距離的增加，無塗層立銑刀的後刀面磨損量增加都比較快，無明顯的正常磨損階段；金剛石塗層立銑刀的磨損曲線則存在著明顯的正常磨損階段和急劇磨損階段。當刀具後刀面磨損量達到01mm時，普通立銑刀切削距離僅為5m，交錯刃立銑刀切削距離為7m，菱齒立銑刀的切削距離約為11m。金剛石塗層菱齒立銑刀的切削距離約為60m，其刀具磨損最慢，刀具使用壽命最長。
32工件表面質量對比分析
圖6所示分別為相同的加工條件下，不同立銑刀側銑碳纖維復合材料的工件表面質量照片。圖6（a）為普通右旋立銑刀側銑1m後工件的表面質量照片，從圖中可以觀察到，工件上表面已出現輕微毛刺現象，下表面加工質量良好；繼續銑削加工至5m時，工件上表面出現了嚴重的毛刺現象，如圖6（b）所示，表面質量已經無法滿足加工要求，普通立銑刀抑制CFRP起毛刺的能力最差。圖6（c）所示為交錯刃立銑刀側銑碳纖維復合材料7m後工件的表面質量照片，工件上、下表面均無明顯的毛刺出現，加工質量良好，仍然可以滿足加工要求。由於交錯刃立銑刀的設計原理可以有效抑制復合材料上、下表面毛刺、撕裂等缺陷的發生，雖然此時刀具後刀面磨損量已達到01mm，但還可繼續使用。圖6（d）所示為菱齒型立銑刀側銑碳纖維復合材料11m後工件的表面質量照片，工件上、下表面加工質量良好，無明顯毛刺現象，可以滿足加工要求。由於菱齒型立銑刀在銑削過程中參與切削的刃數比交錯刃立銑刀多，從而顯著降低了刃口上的單位切削力，刀具磨損更緩慢。圖6（e）所示為金剛石塗層菱齒型立銑刀側銑碳纖維復合材料60m後工件的表面質量照片，工件表面質量仍處於良好狀態，無明顯毛刺現象，可以滿足加工要求。
33刀刃磨損對比分析
圖7為切削距離5m時普通右旋立銑刀的後刀面磨損形貌，圖8為切削距離7m時交錯刃立銑刀的後刀面磨損形貌，圖9為切削距離11m時菱齒立銑刀的後刀面磨損形貌。
由圖可以觀察到：普通立銑刀的後刀面磨損較均勻，交錯刃立銑刀的右旋刃和左旋刃磨損相對較均勻；菱齒型立銑刀的右旋刃磨損較左旋刃更嚴重，這與其左、右旋切削刃的螺旋角大小不等有關，左旋刃由於螺旋角較大，與工件接觸長度較短，因此刀具磨損區域較小。普通立銑刀磨損最快，這主要是由於普通立銑刀在結構上抑制碳纖維銑削毛刺的能力較差，切削加工不久後工件表面即出現毛刺，繼續切削時，工件毛刺會引起刀具振動，加快刀具磨損；交錯刃立銑刀和菱齒型立銑刀抑制碳纖維銑削毛刺的能力較強，由於菱齒立銑刀參與切削的刀刃數更多，故刀具使用壽命更長。
圖10所示為金剛石塗層菱齒型立銑刀的後刀面磨損形貌圖。由於碳纖維復合材料是一種典型的難加工材料，使用未塗層刀具進行切削加工時刀具急劇磨損，刀具壽命較低。金剛石塗層的硬度非常高，配合菱齒型立銑刀的刀型結構可顯著減緩刀具磨損，延長刀具使用壽命。從圖中可以看出，菱齒型立銑刀在切削距離為40m時，刀具右旋刃和左旋刃上的金剛石塗層均出現了磨損，其中右旋刃的磨損程度比左旋刃嚴重，但此時後刀面磨損區的金剛石塗層仍然存在，發揮著保護硬質合金基體的作用。在切削距離達到60m時，觀察到菱齒型立銑刀的右旋刃出現塗層剝落，露出了硬質合金基體。這主要是由於切削過程中，刀具後刀面塗層磨損區內的高硬度碳纖維切屑顆粒持續摩擦金剛石塗層，隨著切削距離不斷增加，金剛石塗層的厚度越來越薄，最終出現了塗層剝落，此時加工表面質量雖然仍可滿足要求，但刀具已進入急劇磨損階段，磨損速度加快。
4結論
本文針對碳纖維復合材料（CFRP）進行銑削實驗，從而研究不同刀型與該工件材料加工質量的匹配性。獲得結論如下：
1）普通立銑刀側銑CFRP時，指向工件表面的切削力容易導致毛刺等加工缺陷產生；新型的交錯刃立銑刀和菱齒型立銑刀在結構上都設計有左、右螺旋切削刃，側銑時刀具的左旋刃和右旋刃同時參與切削，切削合力指向工件內部而非表面，能夠有效地抑制工件表面毛刺的產生。
2）菱齒型立銑刀在銑削過程中參與切削的刀刃數比交錯刃立銑刀多，可以顯著降低單位切削力，刀具磨損更緩慢，抑制CFRP銑削毛刺的能力最好。
3）CVD金剛石塗層具有優異的耐磨性，配合菱齒型立銑刀的刀型結構可顯著減緩刀具磨損，提高加工表面質量，適合碳纖維復合材料的銑削加工。
參 考 文 獻：
[1]蘇飛碳纖維增強復合材料切削加工技術及其應用研究[D].南京：南京理工大學，2015：17-23.
[2]陳濤，苗光，李素燕 碳纖維復合材料切削加工技術研究進展[J].哈爾濱理工大學學報， 2016，21（2）：71-76
[3]何耿煌，李凌祥，程程，等.工件材料可切削性對可轉位硬質合金刀具加工經濟性影響規律研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2017，37（6）：62-69.
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（編輯：王萍）
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