在切削过程中,工件会与刀具之间产生剧烈的摩擦,从而导致切削面温度的急剧上升,不同的材料属性和加工条件都不同,因此产生的切削热差别也比较大。碳纤维复合材料的环氧树脂基质散热性较差,并且钻削的过程是处于半封闭的状态,更加影响其切削热的传出。当温度超过环氧树脂的玻璃化温度时,碳纤维复合材料的力学性能便会呈现阶梯性的下降趋势,从而导致其在加工的过程中发生材料失效的状况。
在传统金属材料切削加工中,常用的切削温度测量方法有热电偶法、光热辐射法、金相结构法等。由于碳纤维的特殊性能和钻削加工中切削区域的半封闭性,导致传统的金属切削测温方式无法直接用于对碳纤维复合材料的钻削温度研究,所以,在研究切削温度对碳纤维材料性能的测试中,温度的精确度还是属于难点。
由于碳纤维复合材料的特殊性,研究人员选择光热辐射法对其进行测温试验。通过红外热像仪对碳纤维复合材料在高速钻削加工过程进行温度的测量发现,转速越高,切削温度就越高,进给量越大,钻削的温度也越大,这个发现表明,切削热的主要来源是后刀面与已加工表面的摩擦。
研究人员利用在刀具内部布置热电偶来测量切削区域的温度,结果表明切削区域的温度随着刀具转速的提高而增大,在切削速度为25m/min时切削区域温度就达到180°C,在切削速度达到50m/min时,超过了玻璃化转变温度,但是在切削速度为100m/min~300m/min之间,温度变化不明显,基本上达到饱和的状态,利用红外热像仪对刀具表面温度的测量也验证了这一结果。研究人员对碳纤维复合材料钻削温度研究发现,当切削速度过大时钻削温度增长迅速,而当进给速度非常低时钻削温度又呈现上升趋势,分析认为是由于刀具后刀面温度过高导致树脂基体发生融化甚至降解。
经过研究人员对切削热的大量研究,发现切削角对切削温度有影响,虽然树脂基质导热性比较差,但是切削热还是可以沿着碳纤维的方向进行传递,使得纤维方向的切削区域温度较低。但目前对于碳纤维复合材料的切削区域温度场分布规律还未准确建立,并缺乏相应的复合材料切削热机制研究进行理论的支撑。尤其是在CRP/金属叠层结构中,钻削金属材料阶段产生的热量对CRP材料的影响规律还需要深入研究钻削过程中切削温度的预测模型还需要进一步优化和大量试验验证。
推荐阅读:《碳纤维管有哪些切削方式?注意事项有哪些?》