碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)具有高强度、高模量、耐腐蚀、抗疲劳、低密度、热膨胀系数小等优点，广泛应用在航空航天、军工、汽车、休闲用品、运动器材等领域^[1-3]。由于其独特的物理结构与化学性能，在加工的过程中容易发生分层、毛刺、撕裂、拉丝等现象，加工质量很难控制。此外，材料的难加工性还体现在硬度高、导热性差、层间剪切强度高等方面，造成刀具磨损比较严重，严重制约了材料的高效加工，因此国内外学者对CFRP切削加工刀具磨损问题做了大量的研究。

Rawat等^[4]研究了硬质合金刀具高速钻削CFRP材料时刀具的失效形式，认为主切削刃后刀面磨损是最主要的磨损形式。Iliescu等^[5]通过使用未涂层及金刚石涂层硬质合金刀具钻削CFRP，建立了进给速度、转速、刀具磨损与切削力之间的数学模型，并通过试验验证了切削力模型可以准确预测刀具磨损量。Tashiro等^[6]通过使用人字形刀具进行铣削，发现顺铣比逆铣的毛边缺陷要小，并且刀具磨损及铣削力要小。Khairussaleh等^[7]利用整体硬质合金刀具铣削CFRP时，认为磨粒磨损是其最主要的磨损机理，并且通入冷却空气能够提高整体硬质合金刀具的切削性能。Maegawa等^[8]通过使用碳化钨和多晶金刚石刀具进行铣削，研究了铣削过程中铣削力和刀具磨损宽度的变化规律。叶衔真^[9]通过刀具磨损试验认为切削速率对后刀面磨损的影响比较明显，并且在相同的加工条件下，未涂层刀具是CVD金刚石薄膜涂层硬质合金铣刀刀具磨损量的2.3~3.8倍。

随着刀具材料的发展，可供选择的刀具材料种类也越来越多，但目前对于刀具的选择主要集中在硬质合金和各种涂层刀具。由于金属陶瓷刀具具有较高的硬度，性能介于陶瓷与金属材料之间，聚晶金刚石(PCD)复合片兼有PCD的硬度与硬质合金的韧性，可以用来加工难加工材料，但国内外对金属陶瓷与PCD复合刀具铣削CFRP的研究还较少，对铣削过程中力及刀具磨损情况分析相对有限。

因此，本文主要围绕CFRP铣削过程中铣削力及刀具磨损问题进行了研究。通过选用金属陶瓷、涂层、硬质合金与PCD四种刀具进行CFRP铣削对比试验，得出不同刀具材料铣削力与后刀面磨损量的变化规律，并分析了不同刀具的磨损/破损机理。

1 试验方案 1.1 铣削试验

试验机床选用的是东昱精机CMV-859 A，其中主轴的最大负载能力为4 900 N，工作行程(X×Y×Z)为850 mm×500 mm×530 mm；试验材料为T700的CFRP层合板，其中铺层方式为[±45°/±45°/0°/90°/0°/90°]，不同的角度代表是纤维方向与刀具进给方向之间的夹角，按照要求进行铺层，纤维平均直径为7 μm，工件尺寸为200 mm×120 mm×5 mm，材料的力学性能如表 1。试验所选用的是机夹式刀具，刀片型号为APMT1135PDER-H2，选用NX2525金属陶瓷、VP15TF涂层、HTi10硬质合金与PCD复合刀片，其中刀片的具体参数如表 2；刀杆型号为BAP300R，两刃，直径为Φ17 mm。在铣削过程中，采用干切顺铣的加工方式，具体铣削参数见表 3。

1.2 测量设备及方法

使用自制夹具将工件固定到测力仪上，保证加工时工件固定。采用YDCB-III05型三向压电石英测力仪对铣削力进行测量，采集的数据经YE5850电荷放大器处理后，再经过INV3 018 A型数据采集分析仪进行A/D转换，然后传输到电脑上，最后经过DSAP V10.01数据处理系统进行数据处理，得到铣削力的大小。工件的宽度为120 mm，每走10刀，对铣削力和刀具磨损量进行一次测量。使用VTM-3020F数字式影像工具显微镜对刀具磨损量进行测量，然后使用扫描电镜(SEM)对刀具表面进行观察，分析不同刀具的磨损/破损机理。

2 试验结果与分析 2.1 铣削力

铣削力是铣削过程中重要的研究对象，包含切削变形、摩擦磨损、振动等多种信息，其值的大小及波动对刀具磨损会产生重要的影响。由于径向切深方向的分力F_y远大于其他方向的分力，因此本文主要研究铣削力F_y的变化规律。

CFRP铣削过程中，不同刀具铣削力的变化规律如图 1所示。可以看出，随着切削次数的增加，四种刀具的铣削力都在增加，但是大小与增加速率不同。其中NX2525刀具的铣削力最大，并且增加较快，当切削60次时铣削力为242 N；在切削20次之前时，VP15TF刀具的铣削力低于HTi10刀具，但是增长速率较快，当切削次数超过20次时，VP15TF刀具的铣削力逐渐高于HTi10刀具，VP15TF刀具在切削100次时铣削力为151.1 N，HTi10刀具在切削140次时为153.1 N；PCD刀具的铣削力最小，当走刀次数超过30次时，铣削力增加速率变缓，当切削140次时铣削力为132 N。

由图 1可知，刀具材料对铣削力有很大的影响。一方面由于工件内部纤维方向不一致，具有明显的各向异性，材料内部不均匀分布，并且铣削是一个断续切削过程，造成铣削过程中振动比较严重，并且NX2525刀具对振动比较敏感，振动越严重，铣削力越大，刀具越容易发生机械疲劳破坏，从而铣削力会更大；另一方面由于NX2525刀具的导热系数为33 W/(m·K)，低于HTi10刀具的导热系数79 W/m·K，热膨胀系数为7.8×10 ^-6 K^-1，高于HTi10刀具的热膨胀系数4.9×10 ^-6 K^-1，极易造成刀具的热疲劳破坏，所以NX2525刀具磨损较严重，铣削力较大。VP15TF刀具的涂层是(Al, Ti)N，具有较好的耐磨性与低的摩擦系数，在开始时铣削力小于HTi10刀具；由于涂层刀具的基体为韧性较好的硬质合金，耐磨性能低于HTi10，随着切削次数的增加，涂层逐渐磨穿，基体参与切削，刀具磨损加快，铣削力逐渐高于HTi10刀具，并且铣削力增加速率略高于HTi10刀具^[10]。PCD刀具兼有聚晶金刚石的极高耐磨性和硬质合金的高抗冲击。由于金刚石具有较高的硬度与耐磨性，切削刃不易被磨钝，所以金刚石刀刃能始终保持锐利的切削刃，从而使铣削力较小；此外PCD的导热系数为700 W/(m·K)，摩擦系数一般为0.1~0.3(硬质合金的一般为0.4)，热膨胀系数仅为0.9×10^-6~1.18×10^-6 K^-1，在同样的加工条件下，PCD具有较好的切削性能，保证铣削力较小，小于其他三种刀具的铣削力。所以在CFRP铣削时，从铣削力这个角度考虑，优选PCD刀具，尽量避免使用NX2525刀具，合理选用HTi10与VP15TF刀具。

2.2 后刀面磨损规律

本部分试验数据与前面铣削力在同一加工条件下进行测量的。从图 2中可以看出，四种刀具的磨损量基本呈线性增加，其中PCD刀具的磨损量较小并且磨损较慢，在切削140次时，后刀面磨损量仅为0.065 mm，而NX2525刀具磨损量最大并且磨损较快，在切削60次时磨损量达到0.244 mm，VP15TF刀具切削100次时刀具磨损量为0.183 mm，HTi10刀具切削130次时磨损量为0.122 mm。

图 3为不同切削次数下后刀面磨损形貌。从图中能够看出，四种刀具的磨损带都是不均匀的，一方面由于工件中碳纤维方向不一致，在铣削过程中切削刃上各点受力差别很大，受力较大的地方磨损比较严重，造成磨损区域不均匀；另一方面由于工件的导热性能不好，切削热大部分集中在刀刃附近，并且刀刃上各点产生的热量与散热速度不同，导致切削刃上各点温度不同，温度越高的地方，刀具的切削性能越差，刀具磨损越严重，造成切削刃上各点磨损速度不同，所以在铣削过程中，刀具的磨损带并不均匀。其中NX2525刀具的切削刃钝化程度比较严重；VP15TF刀具的涂层逐渐被磨穿，切削刃变钝，但是弱于NX2525刀具，由于后刀面与工件表面有一定的接触面积，造成涂层材料磨穿的边界与磨钝的切削刃有一定的距离；HTi10刀具的切削刃逐渐变钝，并且钝化程度与VP15TF刀具接近；PCD刀具主要是由于微崩刃作用而使切削刃逐渐变钝。

NX2525和VP15TF刀具的硬度与耐磨性高于HTi10刀具，加工较硬材料时应该会表现出较好的切削性能，但是通过试验发现刀具磨损较快，寿命较短。由图 1可知，NX2525刀具的铣削力远大于其他几种刀具，并且由材料本身的性质可知刀具很容易产生机械疲劳与热疲劳破坏，所以在加工的时候刀具磨损比较严重，并且反过来又会使铣削力增大，加快刀具磨损，使NX2525刀具的磨损量及磨损速率高于其他几种刀具。VP15TF刀具的涂层厚度仅为5~10 μm，根据在测量过程中的观察及刀具磨损量的判断，发现涂层较早的就被磨穿，涂层材料主要是(Ti, Al)N，由于钛基材料容易发生氧化反应，会生成TiO₂和Al₂O₃，导致涂层耐磨性能下降，涂层材料很容易磨穿，磨损速度高于HTi10刀具，其中VP15TF刀具基体材料和HTi10刀具材料均为钨钴类硬质合金，两者磨损速度比较接近，所以整体来说，VP15TF刀具磨损量要高于HTi10刀具^[11-12]。由图 1可知PCD刀具的铣削力最小，切削过程较稳定，刀具磨损最小；PCD的硬度较高，能够达到7 500~9 000 HV，为硬质合金的80~120倍，并且PCD硬度与耐磨性在各个方向一致，不易沿单一面解理(矿物晶体受力后常沿一定方向破裂并产生光滑平面的性质称为解理)裂开，能够保证较好的耐磨性能；此外PCD与非金属材料之间的亲和力很小，切屑不易粘结在刀具表面，能够保证较高的切削性能，所以PCD刀具磨损量较小。所以在一定的加工条件下，NX2525、VP15TF、HTi10与PCD刀具的耐磨性依次增加，刀具寿命越长，越适合加工。

2.3 刀具磨损/破损机理

图 4为NX2525刀具切削60次时的后刀面磨损形貌，NX2525刀具主要发生了磨粒磨损、剥落与切屑粘附现象。一方面由于碳纤维的硬度很高，达到53~65 HRC，属于硬质点，在加工时会发生弹性回复对后刀面进行挤压，在后刀面产生深浅不一的划痕，造成刀具的磨粒磨损；另一方面会有少量的碳纤维切屑落在后刀面-工件之间，形成三体磨粒磨损。由于三体磨粒磨损的原因，会在后刀面产生极高的接触应力，极易造成后刀面基体材料产生疲劳破坏，造成后刀面发生基体剥落；另外由于后刀面划痕的存在，并不断受到冲击作用，刀具表面的划痕会逐渐扩展成裂纹，然后在力与热的反复作用下，会在切削刃附近发生剥落现象。在切削热的作用，会有少量软化的树脂包裹着断开的碳纤维粘结在刀具表面，形成牢固的粘结物，随着切削的进行，粘结物会在剪切力与冲击的作用下逐渐发生脱落，由于粘结物具有一定的结合强度，在脱落的过程中也会造成刀具基体的剥落，基体材料主要是Ti(C, N)硬质相，剥落的基体材料也会对刀具表面进行摩擦，也是造成磨粒磨损的原因之一。

图 5为VP15TF刀具切削100次时的后刀面磨损形貌，主要发生了磨粒磨损、切屑粘附与涂层脱落现象。在图 5(a)中，A点为后刀面涂层部分，B点为涂层磨穿后的基体部分，C点为涂层磨穿后切削刃圆角部分，然后对这三部分的成分进行了分析，结果如表 4。

涂层材料是(Ti, Al)N，由B、C两点成分可知，这两部分的涂层已经发生脱落，在A点附近发现了明显的划痕，而划痕主要是由磨粒磨损造成的，所以磨粒磨损是造成涂层逐渐脱落的主要原因。但是在涂层脱落后的基体上并没有发现明显的划痕，主要是因为涂层材料被磨穿，基体材料参与切削时间较短，在基体上还没有发生严重的磨粒磨损。碳纤维的弹性回复与处于后刀面-工件之间碳纤维切屑、剥落的(Ti, Al)N、TiC与Al₂O₃等颗粒，对后刀面进行划刻、耕犁，造成磨粒磨损^[13]，并使切削刃逐渐变钝。由于涂层的弹性模量高于基体的弹性模量，但其热膨胀系数小于基体的热膨胀系数，在切削力与热的作用下，基体的变形会大于涂层的变形，并且涂层与基体之间有脆性较大的中间层，当变形量不同造成的力足以克服涂层与基体的附着力时，容易造成涂层脱落；另外由于整个过程是断续切削，机械冲击与疲劳破坏也会造成涂层脱落；此外由于钛基材料容易发生氧化反应，降低涂层的硬度，进一步加剧涂层的脱落^[11-12]。固结在刀具表面上的粘附物在脱离时会对刀具表面产生剥离作用，频繁的粘附-脱落会对涂层造成一定的疲劳作用，也易使涂层发生脱落。

图 6为HTi10硬质合金刀具切削130次时的后刀面磨损形貌，当合金碳化物遇到硬度更高的磨粒时，出于其自身的脆性，在碳化物上或碳化物与粘结剂界面产生裂纹，并伴随碳化物颗粒的脱落，破坏刀具表面，造成刀具的磨粒磨损，碳纤维的弹性回复与位于后刀面-工件之间的碳纤维、WC硬质相对后刀面进行摩擦，是造成HTi10刀具磨粒磨损的主要因素^[13-15]。粘附在刀具表面的粘结物会严重影响刀具的切削性能，当粘结物脱落时同样会造成磨粒磨损。

图 7为PCD刀具切削140次时的后刀面磨损形貌，PCD刀具主要发生了微崩刃而使切削刃不断钝化，严重时会造成剥落破坏。在PCD内部，当垂直于晶面的剪切力值超过某一特定值时，两相邻的晶面分离、产生解理劈开，尤其是在冲击振动、切削不稳定的时候，更容易产生解理。由于PCD的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，但仍表现出各向同性，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。新的PCD刀刃比较锋利，在循环冲击作用下，粘结相晶粒之间会产生微裂纹，晶界强度逐渐弱化，刀具的抗磨损能力下降，当应力强度因子大于刀具材料的临界断裂韧性值，即K>K_IC时，裂纹开始扩展，刀刃会发生崩刃。由于工件是多向铺层，刀刃上各点受力大小不同，导致刀刃上各点微崩刃大小有所不同，严重时会造成大范围的剥落，使切削刃变钝，影响刀具的正常使用。

3 结论

1) 碳纤维增强复合材料(CFRP)铣削过程中，金属陶瓷(NX2525)刀具的铣削力最大，并且增加速度较快；PCD刀具的铣削力最小；在切削前20次(切削距离2.4 m)时，涂层(VP15TF)刀具的铣削力低于硬质合金(HTi10)刀具，但是增加速度较快；当切削次数超过20次后，涂层刀具的铣削力逐渐高于硬质合金刀具，但是相差不大。

2) 在相同的加工条件下，金属陶瓷、涂层、硬质合金与PCD刀具的后刀面磨损量依次减小，硬度较高的金属陶瓷与涂层刀具并没有表现出好的耐磨性，刀具磨损量反而高于硬质合金，PCD刀具耐磨性最好，刀具寿命最长，更适合CFRP的加工。

3) 由于金属陶瓷刀具容易发生机械与热疲劳破坏，刀具的磨损机理以磨粒磨损、基体剥落为主，还有少量的切屑粘附；涂层刀具发生了磨粒磨损、切屑粘附与涂层脱落，并且涂层的脱落主要是由磨粒磨损造成的，造成涂层材料逐渐被磨穿；硬质合金刀具以磨粒磨损与切屑粘附为主；PCD刀具主要是发生微崩刃而使切削刃逐渐钝化，严重时会造成大范围剥落破坏。