摘要
石英纤维增强聚酰亚胺复合材料是一种非均匀的各向异性材料，采用传统铣削方法对其进行加工时存在刀具磨损严重、切削力较大、加工效率低等问题。为此本文采用超低温冷却铣削方法对石英纤维增强聚酰亚胺复合材料进行铣削实验，并与传统干铣削方式进行了对比，分析了包括加工表面形貌、粗糙度、切削力和刀具磨损等切削性能。结果表明：两种工况下，表面粗糙度随主轴转速的提高而降低，随切深的增加呈先降低后增大趋势；相对于干铣削，不同切削速度下超低温冷却铣削有效抑制了低速干铣削纤维起毛、高速干铣削黏结剂烧蚀缺陷，表面质量都得到改善，刀具耐用度得到提高。超低温冷却引起的复合材料切削力增大，纤维断屑方式的改变以及切削热的有效降低是提高加工质量的主要原因。
关键词
石英纤维增强聚酰亚胺复合材料以其机械性能优良、耐高温、物理和化学性能稳定等优点，已被广泛应用在航空航天、国防军工、电子和微电子等领
目前，这些研究主要集中在采用特种加工方法上，例如：激光加工、电火花加工
相对于常规干切削，复合材料在超低温下具有不同的力学性能,导致其切削性能有很大变化。例如Wang Fengbiao
本文针对石英纤维增强聚酰亚胺材料在常规切削加工中不易断屑、切削温度梯度高、毛边严重、加工质量差、效率低下等缺陷，并结合超低温冷却纤维增强复合材料加工特点，开展复合材料超低温铣削加工实验研究，并比较干铣削和超低温铣削下的铣削性能，探讨低温加工条件下，刀具耐用度、加工质量提高的原因。
实验材料为石英纤维增强聚酷亚胺复合材料，增强体采用QW220石英纤维布，经向断裂强力2 320 N/25 mm，纬向断裂强力2 150 N/25 mm，基体采用KH370聚酰亚胺树脂，密度1.01 g/c
低温加工方法即采用低温流体，如液氮、液态二氧化碳、低温切削液等使切削过程处于低温或超低温状态，带走加工时产生的切削热，从而改善材料可加工性，提高刀具使用寿命及表面质量的加工方法。目前常用的冷却方法包括：冷风喷射、低温流体喷射和浸液冷却三
在其他加工参数保持不变的情况下，研究了普通干铣削方式和低温铣削方式中主轴转速对表面形貌产生的影响。铣削速度从1 000 r/min增加到5 000 r/min，普通干铣削后的表面形貌如
图1 干铣削表面形貌
Fig.1 The surface morphology of traditional milling
在低温铣削工况下，加工表面质量有很大改观，表面起毛现象较少，由此可见，纤维断裂方式由拉扯断裂转变为切削断裂[
图2 超低温铣削表面形貌
Fig.2 The surface morphology of cryogenic cooling milling
图3 不同冷却条件下铣削速度对粗糙度的影响
Fig.3 Influence of spindle speed on roughness
图4 不同冷却条件下铣削深度对粗糙度的影响
Fig.4 Influence of cutting depth on roughness
普通干铣削时，随着主轴转速增大，表面粗糙度值减小，但高速时(5 000 r/min)，表面粗糙度值反而增大，说明高速切削时温度相对较高，影响到了表面粗糙度变化趋势。而低温铣削时，即使在高速加工条件下，粗糙度均小于普通干铣削，这是由于在低温条件下，复合材料的变形与摩擦力较小，同时液氮可以渗透到切削区域，使切削温度得到了有效抑制，使表面质量得到了改善。
主轴转速3 000 r/min时，表面粗糙度随切深的增加都呈先降低后增大趋势，这是由于铣削深度较小时，切削产生的切削力无法有效切断石英纤维，在切削过程中，出现了纤维避让刀具刃口现象；而随着铣削深度的增加，切削力增大，纤维被有效切断，起毛现象得到了抑制，因此表面粗糙度降低。但随着切削深度的进一步增大，所产生的切削热也相应增加，复合材料的变形与摩擦力变大，且当切削力等于或大于石英纤维层间结合力时时，加工点处将产生切断残留的毛边，导致表面粗糙度增大。铣削深度与表面粗糙度的关系如
刀具磨损曲线如
图5 刀具磨损行为
Fig.5 Tool wear behavior
在切削速度为1 000 r/min时，采用普通干铣削，在0~15 min内，刀具处于初始磨损阶段，刀具磨损量随着加工时间的增加而快速增加，磨损量达到0.1 mm；在15~40 min内，刀具处于平稳磨损阶段，刀具磨损量较小；在加工40 min后，刀具磨损量快速增加，进入急剧磨损阶段。而采用低温铣削时，刀具处于初始磨损阶段的加工时长约为40 min（磨损量≈0.1 mm），随即进入平稳磨损阶段（磨损量＜0.1 mm；当加工时长达到90 min后，刀具进入急剧磨损阶段。由此可见，低温加工环境可抑制由于切削热所引起的刀具磨损；同时液氮对加工过程起到润滑作用，可减缓刀具磨损。尤其是为获得较好的表面粗糙度而采用高速铣削时，采用低温铣削可使刀具的寿命提升2~3倍。
采用瑞士Kisler9257 B三相测力仪测量切削点处三个方向上的切削分力，如
图6 铣削力模型
Fig.6 Milling model
切削力与转速关系如
(a) 主切削力
(b) 进给力
(c) 背向力
图7 干铣削和超低温铣削主铣削力
Fig.7 Milling force of dry cutting and cryogenic cutting
由
综上所述，采用低温铣削后的工件表面质量，刀具寿命均优于普通干铣削，其原因可如下。
（1）根据上述对切削力的分析，刀具磨损的主要形式为硬质点磨损和粘结磨损，由于石英纤维的高强度、高硬度特点，纤维会产生硬质点研磨刀具的效果；加之石英纤维增强聚酰亚胺复合材料导热性极差，铣削过程中会产生大量切削热，使黏结剂粘结至刀具表面，造成刀具粘结磨损。而超低温冷却介质能够瞬间带走切削微区切削热，引起切削区温度急速下降，聚酰亚胺黏结剂很难再像干铣削出现熔化现象，切削刃及后刀面的钝化现象得到抑制，同时刀具耐用度得到提高。
（2）与常温环境相比，超低温冷却工况下，复合材料弹性模量以及脆性较大，导致纤维的切断方式由弹塑性变形的拉断切削方式转变为脆性剪断切削方式；同时复合材料的拉伸强度大幅增加，导致加工过程中切削力增大，弥补了普通干铣削中切削力不足的现象；在超低温作用下，黏结剂和纤维受低温影响，材料收缩产生的内应力使材料抗切削强度增大，从而提高了加工表面质量。
（3）复合材料断裂伸长率由常温293 K时的12%减少到低温时的8%(
(1)相对于干铣削，不同切削速度下超低温冷却铣削有效抑制了低速干铣削纤维起毛、高速干铣削粘接剂烧蚀缺陷，表面质量都得到改善，刀具耐用度得到提高。
(2)表面粗糙度随切深的增加都呈先降低后增大趋势，切深分别达到1.27（低温铣削）和1.31 mm（普通干铣削）时可使粗糙度达到0.51和0.83 μm，分别为两种加工方式下的最小值。
(3)超低温冷却引起的复合材料切削力增大，纤维断屑方式由拉断切削方式向脆性剪断切削方式的改变以及切削热的有效降低是提高加工质量的主要原因。
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