LIN Y x, YU J, LIN H . Wear Mechanism of Tool in High-speed Milling of Carbon/Epoxy Composite. China Surface Engineering, 2016, 29(5): 138-145.
碳纤维/树脂基复合材料(简称C/E复合材料)具有质轻高强、力学性能良好、制造工艺简单、原料消耗少等特点，还有良好的耐高温、抗腐蚀、抗疲劳、抗振等性能[1-2]，是先进复合材料中用量最多、应用面最广的一种材料[3]，广泛应用于航空航天、军事、汽车、建筑等行业。随着复合材料应用的日益普遍化,二次切削加工越来越多。但是由于C/E复合材料的各向异性、非均匀性[4]以及导热性差、硬度高等特性，在切削加工中出现诸多问题，如在常规铣削过程中，为了提高加工效率，主轴转速及进给速度的增大会使刀具磨损加剧，导致切削力增大[5-7]，影响工件的加工精度及加工表面的完整性[8]。高速切削是近几年发展起来的一种集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术。与常规切削技术相比，它具有高速度，低切削力，低工件热变形等优势，从而提高加工效率和表面质量[9]。然而，目前实际生产中C/E复合材料切削加工所应用的切削速度仍未达到高速切削速度范围，切削加工效率低。因此，研究C/E复合材料高速切削速度范围下的刀具磨损及失效机理具有较高的理论意义和实用价值
尽管国内外对C/E复合材料铣削刀具磨损研究越来越多，但都是在常规铣削情况下，对高速铣削情况下刀具磨损特性及磨损机理研究较少，刀具磨损对切削力及工件质量的影响缺乏更深入的分析。文中采用涂层(TiCN，TiAlN)与无涂层超细晶粒硬质合金立铣刀对C/E复合材料进行高速铣削试验，研究刀具后刀面磨损带扩展及刀具磨损规律，探讨切削力、毛刺随着刀具磨损的变化趋势，并观察分析刀具的微观磨损形貌，探讨刀具的磨损机理，以期获得性能最优刀具。
1 试验部分 1.1 试验材料试样材料为碳纤维/树脂基复合材料层压板，基体材料为环氧树脂，增强材料为T300型碳纤维，纤维是由0°和90°编织布叠层铺设而成，尺寸90 mm×160 mm×5 mm，其力学性能见表 1。
| Parameters | Values |
| Fiber volume / % | 67 |
| Tensile strength / MPa | 2 690 |
| Tensile modulus / GPa | 165 |
| Density / (g·cm-3) | 1.625 |
采用Mikon UCP 710五坐标加工中心进行铣削试验。试验刀具选用厦门金鹭生产的二刃整体立铣刀，基体材料为GU25UF超细晶粒(70 nm)硬质合金，硬度为92.5 HRA，涂层为电弧离子镀PVD涂层TiAlN及CVD涂层TiCN，涂层显微硬度分别2 900 HV和3 300 HV。刀具的几何参数为：前角5°，后角10°，螺旋角35°，直径8 mm。切削力测量系统由Kistler9257B动态测力仪，电荷放大器Kistler 5007和Dynoware数据采集和处理系统组成，测力采样频率为8 kHz，用来测量刀具磨损对切削力影响情况，以辅助分析刀具的磨损机理。同时，采用Leica M205FA体视显微镜进行刀具周刃后刀面的磨损形态观测以及磨损量测量。最后，借助场发射扫描电镜Nova NanoSEM 230对刀具磨损形貌进行观测，并使用EDX能谱分析对后刀面化学成分进行分析。
1.3 试验参数根据ISO1940标准，主轴转速高于8 000 r/min为高速切削加工[9]。通过前期试验的分析总结，选取优化的试验参数，具体参数如表 2所示。取磨钝标准VB=0.3 mm，采用干切削方式进行铣槽试验。
| Parameters | Values |
| Spindle speed / (r·min-1) | 14 000 |
| Feed per tooth / (mm·z-1) | 0.04 |
| Depth of cut / mm | 2 |
| Cutting speed / (m·min-1) | 351.9 |
| Diameter/ mm | 8 |
试验中，每把刀具的切削长度为0.9 m时，采用Leica显微镜对刀具的后刀面磨损形态进行观测，放大倍数为40倍。图 1是3种不同刀具的后刀面磨损带在不同切削长度L下的扩展图，可以看出无涂层和涂层刀具的磨损带都是从周刃逐渐扩散到后刀面，且扩散程度不均匀。靠近刀尖部分的磨损扩散明显快于远离刀尖部分，这是由于在工件表面产生大量的切削热不易被切屑带走，大部分聚集在刀具的刀尖、刀刃附近，在热-力耦合作用下加速刀具磨损。随着切削长度L的增加，无涂层刀具后刀面磨损程度最大，而TiAlN涂层刀具磨损程度最小；在切屑粘结程度上，无涂层刀具后刀面的切屑粘结明显多于TiCN涂层和TiAlN涂层刀具，其中TiAlN涂层刀具的粘结程度最小。
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| 图 1 不同刀具的后刀面磨损带在不同切削长度下的扩展形貌 Figure 1 Wear extension morphologies of different tool flank face under different cutting length |
3把刀具后刀面磨损量均随切削长度的增加而增加，在整个切削过程中，无涂层刀具后刀面磨损量增加较快，且磨损量与切削长度近似成线性关系,如图 2所示。当切削长度L=13.5 m时的磨损量为VB=0.303 mm，已经超过了刀具的磨钝标准。TiCN涂层和TiAlN涂层刀具都存在初期磨损、稳定磨损和急剧磨损阶段，在初期磨损阶段(0~3.6 m)，两把涂层刀具的磨损速率均较快，这是由于在切削初期，新刀具锋利的切削刃与对偶表面间实际的接触面积小，产生极高的接触应力，接触点黏着磨损严重，使得切削刃磨损率较高。另外，TiCN涂层刀具的磨损量要高于TiAlN涂层刀具，但是TiCN涂层刀具磨损率较小。当切削长度L超过3.6 m后，即进入稳定磨损阶段，两把刀具的磨损量较为接近,且磨损率可近似为稳定值。这是由于切削刃的圆钝增大了与对偶表面的接触面积，降低接触应力，摩擦学系统变成了低载荷系统。在急剧磨损阶段，TiCN涂层刀具磨损率较大，当切削长度L=16.2 m时，VB=0.301 mm；而TiAlN涂层刀具在切削长度L为18 m时，磨损量达到磨钝标准，且TiCN涂层刀具VB值比TiAlN涂层刀具平均高出0.04 mm左右。这主要是由于两种涂层的性能不同，其中TiCN涂层具有较高的硬度和耐磨性，而TiAlN涂层具有较高的粘结强度和韧性，可以较好的抵抗塑性变形和间歇震荡，同时也具有很好的抗纤维回弹性能，缓解了纤维对后刀面的摩擦磨损作用。另外，TiAlN涂层中的Al元素在高速铣削过程中由于热量的作用向外扩散与氧元素反应生成致密的Al2O3保护膜，对O2向氮化膜/氧化膜的转变及扩散起抑制作用，从而阻止了涂层中各元素的快速氧化，同时Al2O3保护膜导热性差，可使切屑带走更多的切削热，大大提高了TiAlN涂层在高温下的化学稳定性，而TiCN涂层中Ti、C、N等元素在高温下与氧元素反应生成氧化物，破坏涂层原有结构，且TiCN涂层的摩擦磨损性能随着温度上升而急剧减弱，降低了涂层力学能，因此，虽然TiAlN涂层硬度和耐磨性低于TiCN涂层，但仍表现出最理想的切削效果。
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| 图 2 后刀面磨损量随切削长度变化曲线 Figure 2 Variation curves of flank wear with cutting length |
由于影响径向力的主要因素是后刀面磨损，而影响切向力的主要因素是前刀面磨损[10]，文中研究后刀面磨损为主，因此只探讨后刀面磨损对径向力Fx的影响规律，如图 3所示。
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| 图 3 径向力Fx随切削长度变化曲线 Figure 3 Variation curve of radial force Fx with cutting length |
比较图 2和图 3可以看出，径向力随着后刀面磨损量的增加而增加。在切削过程中，无涂层刀具的径向力Fx变化趋势最明显，TiCN涂层刀具次。在初期磨损阶段，3把刀具的径向力较为接近，且增加速率都很大，这是由于锋利的新刀刃与工件表面的接触面积小，构成高载荷系统，导致磨损率迅速增加[11]。而径向力主要来源于刀刃对切削表面的挤压，后刀面磨损时，刀具实际后角减小，后刀面与工件表面挤压作用增强,使得径向力迅速增大[12]，即后刀面的快速磨损导致径向力迅速增大。另外，在切削初期，无涂层刀具的径向力为最低，这是由于切削刃的涂层涂覆降低了切削刃的锋利度，因此涂层刀具产生了较高的径向力。在稳定磨损阶段，TiCN涂层刀具与TiAlN涂层刀具径向力增速相对较小，且TiCN涂层刀具径向力比TiAlN涂层刀具径向力平均高出25 N。在剧烈磨损阶段，TiCN涂层刀具磨损速率加快，径向力增幅大于TiAlN涂层刀具。当三把刀具都达到磨钝标准时，无涂层刀具的径向力约为400 N，比TiCN涂层和TiAlN涂层刀具分别高出20 N和55 N。由此可见，在C/E复合材料高速铣削过程中，TiAlN涂层刀具的切削性能最优。
2.4 刀具磨损对表面毛刺的影响图 4为3把刀具在不同磨损阶段下的工件表面毛刺演变图，每张图片表示试验材料中连续3条槽的毛刺情况，每条槽长度为90 mm。由图 4可知，随着刀具磨损量的增加，表面毛刺现象越来越严重。其中无涂层刀具切削后所产生的毛刺较长较密，在初期和中期磨损阶段，毛刺扩展程度较为接近，而在后期磨损阶段(L=13.5 m)，工件表面毛刺现象极为严重，几乎覆盖了整个切削表面，严重影响了工件质量。其次为TiCN涂层刀具，而TiAlN涂层刀具的毛刺扩展则相对较为缓慢。这是由于在相同加工长度下，无涂层的刀具磨损量最大，TiAlN涂层刀具则最小，而影响毛刺扩展的主要因素为刀刃的锋利度，当刀具磨损量增加，锋利的切削刃被磨钝，切削能力下降，导致表面的纤维层不容易被切断，从而产生毛刺现象。
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| 图 4 不同刀具在不同切削长度下的工件表面毛刺形貌 Figure 4 Morphologies of burrs on surface of different tool under different cutting length |
图 5为无涂层硬质合金刀具后刀面磨损前后及粘结物的SEM形貌，图 5(a)中基体颗粒裸露，并在后刀面可发现由于刀具制造产生的原始划痕和凹槽；图 5(b)中可看出，基体颗粒已被磨平，表面较为平滑，后刀面存在大小不一的凹坑以及不规则的划痕，且与图 5(a)中原始划痕和凹槽有着明显区别，则可说明图 5(b)中的凹坑和划痕并不是原有缺陷所造成，而是后期的磨损所导致。一方面，在切削过程中，碳纤维复合材料中的碳纤维硬度很高(53~65 HRC)属于硬质点，由于已加工表面受挤压发生弹性恢复，使得碳纤维加剧对刀具后刀面的摩擦作用，在刀具的后刀面划出一道道深浅不一的划痕。另一方面，碳纤维复合材料的切屑呈粉末状，含有大量的碳纤维磨粒，还有少量剥落的硬质合金颗粒，移动于刀具后刀面和工件材料之间，形成三体磨粒磨损，对后刀面产生极高的接触应力，而这种应力往往超过磨粒的压溃强度，易压入后刀面而产生压痕。同时，磨粒产生的循环接触应力导致后刀面基体材料疲劳破坏，使后刀面发生剥落或脆裂，形成凹坑或裂纹。
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| 图 5 硬质合金刀具后刀面磨损前后及粘结物形貌 Figure 5 Morphologies of flank and adhesion on carbide tool before and after wear |
图 5(b)所示，硬质合金刀具切削刃存在微崩刃现象，由于铣削是一个断续切削过程，铣刀切削刃切入工件材料时易受到周期性冲击，切削刃将承受断续的交变应力，进而导致切削刃崩刃的发生．但是，由于碳纤维复合材料的强度和硬度相对金属材料较低，切削刃在加工过程中受到的机械冲击及循环热应力作用相对较小，因而崩刃现象并不严重，只存在局部的微崩刃现象。
表 3为图 5(a)(b)(c)中标注A、B、C位置的成分分析。图 5(a)中C、Co、W元素为刀具基体材料元素；图 5(b)中除了基体材料元素外，还存在质量分数为0.5%的O元素，说明后刀面存在氧化作用，由于碳纤维复合材料的热导率较低，高速铣削过程中产生大量的切削热不易被工件材料和切屑带走，大部分聚集在刀具的刀尖、刀刃附近，形成局部高温。刀具基体材料在高温下与O元素反应，生成较软的WO3、CoO4、CoO等氧化物,在剧烈的机械冲击下，这些氧化物很容易脱落而带走刀具后刀面基体材料，导致切削刃的脱落和崩刃。
| (w/%) | ||||
| Position | C | O | Co | W |
| A | 0.81 | 5.47 | 93.71 | |
| B | 0.76 | 0.50 | 5.82 | 92.92 |
| C | 16.41 | 4.61 | 4.30 | 74.69 |
粘结物中C、O元素分别增加15.6%和4.61%，这些元素大部分来自于碳纤维/环氧树脂复合材料，则粘结物主要为切屑。在加工过程中，切屑由于机械载荷和切削热作用黏附到后刀面上，固化形成黏结层。随着切削的进行，黏结层在后刀面与工件材料的剧烈摩擦和冲击下发生剪切断裂而不断被磨掉，由于黏结层具有一定的结合强度，在破坏过程中很可能造成黏结处刀具基体剥落，形成凹坑。同时，新的黏结层会不断形成，如此循环，对后刀面造成黏着磨损。
3.2 TiCN涂层刀具图 6为TiCN涂层刀具后刀面磨损前后及粘结物的SEM形貌，图 6(a)中后刀面被涂层涂覆，表面并不平整且存在许多涂层颗粒；图 6(b)中后刀面涂层已被磨去，基体材料裸露出来，表面较为光滑且存在凹坑和剥落现象。一方面，在加工TiCN涂层时温度较高，基体表面的碳化物硬质相与涂层材料反应产生脱碳效应，在基体与涂层之间形成脆性η相，η相在机械载荷作用下极易在涂层界面形成原始裂纹源，裂纹扩展即导致涂层剥落和刀具破损[13]。另一方面，切屑中含有大量的粉末状碳纤维磨粒，还有剥落的TiCN、TiC颗粒和硬质合金颗粒，作用于刀具后刀面和工件材料之间，造成磨粒磨损。磨粒在载荷作用下压入后刀面产生压痕，并挤压出片状或层状的剥落碎屑。
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| 图 6 TiCN涂层刀具后刀面磨损前后及粘结物形貌 Figure 6 Morphologies of flank and adhesion on TiCN coated tool before and after wear |
表 4为图 6(a)(b)(c)中标注D、E、F位置的成分分析。粘结物中C、O元素皆有增加，主要来自于工件材料，则粘结的为切屑。TiCN涂层被磨掉或剥落后，切屑由于热机械载荷作用下发生塑性变形而黏附到后刀面基体材料上，在破坏过程中很可能造成黏结处刀具基体剥落，形成凹坑。
| (w/%) | ||||||
| Position | C | O | Co | W | N | Ti |
| D | 0.54 | 8.75 | 26.50 | 64.21 | ||
| E | 0.80 | 0.12 | 5.96 | 93.12 | ||
| F | 2.48 | 2.74 | 7.76 | 87.02 | ||
切削刃存在局部微崩刃现象，但由于TiCN涂层增加了刀具的硬度和耐磨性，提升了刀具的切削性能，较硬质合金刀具的崩刃现象较为缓和。图 6(a)中元素主要为TiCN涂层及基体材料元素；图 6(b)中未检测出Ti、N元素含量，即说明TiCN涂层已经被磨掉，基体材料裸露出来。O元素含量为0.12%，说明发生了轻微的氧化磨损，当氧化反应发生后，较软的氧化物在间歇振荡作用下，易脱落而带走部分刀具基体材料，造成切削刃的剥落以及微崩刃。但是由于涂层成分的热导率较高，有助于切削刃的热扩散，有效抑制了切削刃的局部高温现象，保持良好的抗磨损性能，因此氧化磨损较为轻微。
3.3 TiAlN涂层刀具图 7为TiAlN涂层刀具后刀面磨损前后及粘结物的SEM形貌，图 7(a)中后刀面被涂层均匀覆盖，表面相对TiCN涂层刀具较为平整，图 7(b)中涂层已被磨去，后刀面存在凹坑和剥落现象，但是相对于硬质合金和TiCN刀具较为缓和，且未发现明显的崩刃现象，这是由于TiAlN涂层具有很好的热化学稳定性以及较好的抵抗塑性变形和间歇震荡的性能。凹坑和剥落现象的产生主要是以下3个原因：①已加工表面碳纤维的回弹现象对后刀面犁沟作用，产生犁皱、剪切和切削，造成凹槽状的磨痕；②切屑中大量的碳纤维磨粒，还有剥落的TiAlN、TiC和Al2O3等颗粒，移动于刀具后刀面和工件材料之间，形成三体磨粒磨损，产生压痕和基体剥落；③TiAlN涂层剥落后，基体上有切屑粘结(见图 7(c))。继而基体产生黏着磨损，造成黏结处刀具基体剥落，形成凹坑。
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| 图 7 TiAlN涂层刀具后刀面磨损前后及粘结物形貌 Figure 7 Morphologies of flank and adhesion on TiAlN coated tool before and after wear |
表 5为图 7(a)(b)(c)中标注G、H、I位置的成分分析。图 7(a)中主要为TiAlN涂层元素，图 7(b)中除了刀具基体材料元素外，发现有O元素存在，含量略低于TiCN涂层刀具，说明该区域发生了轻微的氧化磨损。这是由于TiAlN涂层具有良好的热化学稳定性，对O2向氮化膜/氧化膜的转变及扩散起抑制作用，且具有较高的热导率,有助于切削刃的热扩散，有效抑制了切削刃的局部高温现象，降低了氧化磨损。
| (w/%) | |||||||
| Position | C | O | Co | W | N | Al | Ti |
| G | 19.12 | 38.56 | 42.32 | ||||
| H | 1.04 | 0.10 | 5.92 | 92.94 | |||
| I | 3.06 | 3.67 | 5.23 | 88.04 | |||
(1) 无涂层刀具的后刀面主要发生磨粒磨损，由于黏着磨损和氧化磨损对切削刃的弱化作用，以及间歇振荡产生的交变应力，使得主切削刃发生了微崩刃。其失效形式主要为后刀面基体剥落。
(2) TiCN涂层和TiAlN涂层刀具后刀面主要发生磨粒磨损，并伴随着黏着磨损及轻微的氧化磨损。两种涂层刀具失效形式主要为涂层和基体剥落，并在TiCN涂层切削刃发现局部微崩刃。
(3) TiAlN涂层刀具的后刀面磨损量和切削力最小，刀具寿命最长，毛刺扩展缓慢，工件质量高，更适合C/E复合材料高速铣削加工。
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