碳纖維復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、良好的抗疲勞性和抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、高端醫(yī)療等領(lǐng)域，為了滿(mǎn)足這些領(lǐng)域高精裝配要求，碳纖維復(fù)合材料制件需要進(jìn)行機(jī)械加工以獲得良好的加工表面質(zhì)量。由于碳纖維復(fù)合材料有著各向異性、層間強(qiáng)度低、硬度高、導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)，在切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生基體開(kāi)裂、分層、纖維拔出等缺陷，屬于典型的難加工材料。

研究人員以單向碳纖維復(fù)合材料為研究對(duì)象，通過(guò)改變不同的纖維方向角度進(jìn)行銑削試驗(yàn)，從切削力、切口質(zhì)量和刀具磨損等方面對(duì)碳纖維復(fù)合材料的加工機(jī)理進(jìn)行分析，為碳纖維復(fù)合材料銑削加工表面質(zhì)量的改善和刀具的優(yōu)選提供基礎(chǔ)。

試驗(yàn)采用超聲輔助五軸加工中心，碳纖維復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)板采用壓條壓板的方式進(jìn)行裝卡，試驗(yàn)用刀具為硬質(zhì)合金多刃銑刀。試驗(yàn)采用中模高強(qiáng)碳纖維增韌環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料單向鋪貼制備而成的復(fù)合材料試樣，鋪層共32層，試件厚約6mm。選用4種纖維方向角θ（0°、45°、90°和135°）。

不同纖維方向角θ下碳纖維復(fù)合材料銑削時(shí)的最大切削力F由大到小分別對(duì)應(yīng)的纖維方向角為θ=0°、θ=45°、θ=1359和θ=90°。研究人員分析認(rèn)為，碳纖維垂直于纖維軸向的剪切強(qiáng)度小于其軸向的拉伸強(qiáng)度，所以當(dāng)?shù)毒咔邢骼w維時(shí)，垂直于纖維切削所需切削辦小于平行于纖維拉斷纖維所需切削力。當(dāng)纖維方向角θ依次為0°、45°、135°和90°時(shí)，刀具垂直于纖維軸向切削的幾率逐漸增大，平行于纖維軸向切削的幾率逐漸減小，綜合作用下，銑削力F逐漸減小。

切削比能是指去除單位體積( 1mm)材料所消耗的能量，是評(píng)價(jià)刀具切削性能的重要指標(biāo)之一。 研究不同纖維方向角θ切削比能由大到小的順序分別為： θ=0°、0=45°、 8=135°和0=90°。當(dāng)纖維方向角θ≥90°，其切削性能要優(yōu)于θ<90°，纖維方向角θ=90°時(shí)，其切削性能最優(yōu)；纖維方向角為0°時(shí)，其切削性能最差。

當(dāng)纖維方向角θ=135°時(shí).其已加工表面粗糙度值最大；纖維方向角θ=45°時(shí)，其已加工面表面粗糙度值最小。即當(dāng)切削方向順著纖維鋪層方向時(shí)，其切口質(zhì)量較好，而當(dāng)切削方向逆著纖維鋪層方向時(shí)，其切口質(zhì)量較差。

刀具磨損量和切削力是相互作用、相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)參量。同時(shí)可以得知，不同纖維方向角對(duì)刀具磨損作用由大到小依次為θ=0°、θ=45°、θ=135°和θ=90°方向。分析認(rèn)為刀具后刀面磨損主要由回彈的纖維對(duì)后刀面的摩擦造成。當(dāng)纖維方向角為θ=0°時(shí)，刀具對(duì)纖維層有壓迫的切削分力，纖維層產(chǎn)生變形，切削時(shí)刀具離開(kāi)，纖維層恢復(fù)形狀，對(duì)后刀面產(chǎn)生擠壓摩擦，而0°纖維的回彈量最大，故該層纖維處刀具的后刀面磨損最大。

研究人員由上述試驗(yàn)得出纖維方向角對(duì)切削力與刀具磨損程度的影響關(guān)系如下：

(1)在碳纖維復(fù)合材料層合板銑削加工時(shí)，纖維方向角θ對(duì)切削力和切削比能有一定的影響。當(dāng)纖維方向角θ≥90 ，其切削性能要優(yōu)于0<90°時(shí)，纖維方向角θ=90°，其切削性能最優(yōu)；纖維方向角為0°時(shí)，其切削性能最差。

(2)纖維方向角θ是影響碳纖維復(fù)合材料層合板銑削加工表面質(zhì)量的重要因素。通過(guò)對(duì)切口形貌及粗糙度的分析，纖維方向角θ=45°時(shí)，其已加工表面質(zhì)量最好；當(dāng)纖維方向角θ為135°時(shí)，其已加工表面質(zhì)量最差。即當(dāng)切削方向順著纖維鋪層方向時(shí)，其切口質(zhì)量較好，而當(dāng)切削方向逆著纖維鋪層方向時(shí)，其切口質(zhì)量較差。

(3)在碳纖維復(fù)合材料層合板銑削加工時(shí)，不同纖維方向角θ對(duì)刀具磨損作用不一樣。磨損量由大到小依次為θ=0°、θ=45°、θ=135°和θ=90°。

(4)在碳纖維復(fù)合材料層合板銑削加工時(shí)，應(yīng)綜合考慮纖維方向角對(duì)切口質(zhì)量和刀具壽命影響，盡量使刀具切削方向垂直于纖維方向進(jìn)行.且避免逆切情況。

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