電鍍金剛石刀具鉆削碳纖維復合材料磨粒磨損特征研究

高 航， 劉 國 興， 張 選 龍， 鮑 永 杰

（大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引 言

碳纖維復合材料以其獨特的高比強度和比模量等性能在國民經(jīng)濟的航空航天、國防軍工、飛機工業(yè)等領域獲得了廣泛的應用.特別在民用航空領域，碳纖維復合材料被大量應用到航空發(fā)動機風扇葉片、機匣、機身和機翼等構件[1、2].波音和空客兩大航空公司的最新機型——波音787和A350的復合材料結構重量都超過了50%[3].當碳纖維復合材料與其他零部件裝配連接時，不可避免地要進行大量的機械加工，特別是孔加工.例如，一架F－16戰(zhàn)斗機有24多萬個連接孔，一架波音747飛機有300多萬個連接孔[4].然而，碳纖維復合材料的高硬度和低塑性變形，以及層間強度低且各向異性等特點使之成為典型的難加工材料[5、6].特別是碳纖維復合材料的制孔極易產(chǎn)生毛刺、分層、撕裂等缺陷，且制孔刀具的磨損嚴重、壽命低下，已經(jīng)成為制約碳纖維復合材料應用的難題之一[7].為了確保制孔質量，目前生產(chǎn)企業(yè)一般采取的是細分工序的辦法，即一個精度只有H9的 5孔，也要通過 “鉆底孔—擴孔—粗鉸孔—精鉸孔”等多道工序，生產(chǎn)效率極低.為此人們曾研究開發(fā)各種類型的刀具和工藝，以提高碳纖維復合材料的制孔質量和效率[8～10].將傳統(tǒng)的硬質合金鉆孔與金剛石磨孔有機結合而成的電鍍金剛石鉆磨組合刀具是一種具有很好應用前景的碳纖維復合材料制孔刀具，它具有合并加工工序，制孔毛刺和撕裂等缺陷小，質量高等優(yōu)點，因而得到生產(chǎn)企業(yè)的重視和關注.對于此類復合材料制孔刀具，由于前段的硬質合金鉆頭部分（起到了鉆底孔的作用）可以通過再刃磨獲得較長的使用壽命，刀具使用壽命將主要取決于刀具后段的電鍍金剛石磨料部分的使用壽命（起到了擴孔和鉸孔的作用）.如何提高刀具后段的電鍍金剛石磨料部分的使用壽命，就成為此類組合刀具得到推廣應用的前提條件.為此，本文以常用T300碳纖維復合材料為加工對象，對所研制的鉆磨組合制孔刀具的金剛石磨粒層的加工磨損形態(tài)進行試驗研究與分析.

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置與條件

試驗所用碳纖維復合材料牌號為T300，其增強材料為T300碳纖維，基體材料為AG－80樹脂，鋪層形式為（±45°/0°/90°/0°）s，纖維體積比為（60±5）%，試驗板厚度為4 mm.

試驗所用制孔刀具為自行研制的電鍍金剛石鉆磨組合刀具，刀具樣件見圖1.

圖1 6電鍍金剛石鉆磨組合刀具Fig.1 6 Electroplated diamond step－core drill

為開展碳纖維復合材料的鉆孔試驗，搭建了高速鉆削試驗系統(tǒng)，見圖2，該試驗系統(tǒng)由機床部分和鉆削力測量系統(tǒng)組成.鉆削力測量系統(tǒng)由鉆削測力儀、電荷放大器、A/D信號采集卡和PC機等組成，其中鉆削測力儀采用YDZ－Ⅱ01W無定心鉆削測力儀.

圖2 鉆削測力試驗系統(tǒng)原理示意圖Fig.2 Schematic of experimental setup to measure the drilling forces

1.2 試驗方法

整個鉆削過程采用無冷卻液干式鉆削.經(jīng)過初步試驗，確定在本試驗系統(tǒng)條件下合理的鉆磨T300工藝參數(shù)為轉速10000 r/min，進給25 mm/min.

利用鉆磨組合刀具鉆削T300碳纖維復合材料板，研究鉆削過程中磨粒的磨損形態(tài)，以及磨粒的磨損形態(tài)與軸向力之間的關系.試驗中用同一把電鍍金剛石鉆磨組合刀具連續(xù)鉆削碳纖維復合材料板，每鉆透一個孔，測量鉆削過程中的軸向力，并及時地利用超景深三維顯微鏡KEYENCE VHX－600E觀測鉆頭端面磨粒的磨損形態(tài)，并統(tǒng)計其相應的數(shù)目.在統(tǒng)計端面磨粒各磨損形態(tài)的數(shù)目時，由于端面是環(huán)形的對稱結構，取一半為研究對象，在鉆頭上以2個排屑槽為界取定端面一半為分析對象，并將磨粒的狀態(tài)分為完整、破碎磨損、磨平和脫落4種形態(tài).經(jīng)統(tǒng)計，初始金剛石磨粒的個數(shù)為58個.

試驗結束后，采用相關性分析的方法確定每種磨損形態(tài)與軸向力之間的線性依賴關系，利用內(nèi)徑千分尺測量孔徑的變化.

2 試驗結果與分析

2.1 金剛石磨粒的磨損形態(tài)

在鉆磨碳纖維復合材料的過程中，金剛石磨粒經(jīng)歷著不同的磨損形態(tài).為方便觀察與統(tǒng)計，對選定的某一側的金剛石磨粒用符號進行標記，放大觀察其初始形貌（見圖3）.在每次鉆孔結束后，利用超景深三維顯微鏡對已標記磨粒的磨損形態(tài)進行跟蹤觀察.由觀察的結果可知，金剛石磨粒在T300碳纖維復合材料的鉆削過程中存在完整、破碎、磨平和脫落4種狀態(tài).對其破壞的3種狀態(tài)的特征分析如下：

圖3 電鍍金剛石鉆磨組合刀具初始形貌Fig.3 Initial morphology of electroplated diamond step－core drill

（1）脫落

金剛石磨粒整顆從鍍層上脫落，在鍍層上形成一個凹坑，見圖4.此圖為鉆削完第1個孔后，金剛石磨粒脫落形成一個明顯的凹坑.脫落現(xiàn)象在鉆削初期尤為明顯，到鉆削至第7個孔以后，脫落現(xiàn)象逐漸減少.

圖4 金剛石磨粒脫落前后形態(tài)對比Fig.4 Morphologic comparison before and after diamond grain separating

（2）破碎

金剛石磨粒在重負荷下工作受到被加工材料的沖擊和磨蝕，或者由于本身內(nèi)部存在缺陷，進而在金剛石表面形成微小的破碎或者裂紋.這種微破碎或者裂紋有可能進一步發(fā)展為局部較大的破碎，也有可能在被加工材料的沖擊下被磨耗磨平為一個平臺，也可能持續(xù)保持這種狀態(tài)不變.破碎磨損主要有裂紋和微破碎兩種形式，見圖5.

圖5 金剛石磨粒磨損破碎前后形態(tài)對比Fig.5 Morphologic comparison before and after diamond grain crashing

由圖5（a）、（b）兩圖比較可看出，在鉆削至第2個孔后，磨粒10的一個面出現(xiàn)一條明顯的Z形裂紋.在整個磨損特性試驗過程中，只有這一顆磨粒出現(xiàn)此種磨損形態(tài).由圖5（c）、（d）兩圖比較可看出，磨粒30和磨粒31一側的端面上形成了一個小凹坑.利用超景深三維顯微鏡將凹坑放大至1000倍拍攝其3D形貌，可以看出凹坑的深度為12.3μm.

（3）磨平

在鉆削過程中，由于金剛石磨粒與復合材料不斷地機械摩擦逐漸產(chǎn)生一個平面.從圖6可以看到，在鉆削過程中磨粒5表面由于機械摩擦及磨蝕先是產(chǎn)生明顯劃痕痕跡，條紋方向與套料鉆圓周方向相切.隨著磨耗的加劇，逐漸形成了磨耗平臺.

圖6 金剛石磨粒磨平前后形態(tài)對比Fig.6 Morphologic comparison before and after diamond grain rubdown

2.2 金剛石磨粒磨損形態(tài)與軸向力之間的關系

確定好金剛石磨粒存在的4種狀態(tài)之后，對試驗過程刀具所受的軸向力和不同形態(tài)金剛石磨粒的個數(shù)進行實時測量和統(tǒng)計，試驗過程刀具所受的扭矩數(shù)值大小超出測量儀的精度范圍，故本文未對金剛石磨粒磨損形態(tài)與扭矩之間的關系進行分析.圖7是在鉆削時磨孔產(chǎn)生的軸向力F隨鉆孔個數(shù)n的變化曲線.由圖可以看出，剛開始的前10個孔軸向力較小，保持在30 N左右.之后隨著鉆孔試驗的繼續(xù)進行，軸向力逐漸增大，以第50個孔為分界線出現(xiàn)了兩次線性增大的過程.

圖7 軸向力與鉆孔數(shù)目之間關系曲線Fig.7 Thrust force－h(huán)ole number relation curve

電鍍金剛石在碳纖維復合材料的鉆削過程中并無出現(xiàn)此明顯的3個階段，而是呈現(xiàn)出如下獨特的3個階段：（1）前10個孔鉆削處于初期不穩(wěn)定磨損階段.圖8為鉆削第1個孔時軸向力－時間關系曲線，第1個臺階曲線為導向鉆鉆孔時產(chǎn)生的軸向力（因為導向鉆長度比所加工的復合材料板厚度大，所以在兩個鉆削過程有零軸向力產(chǎn)生）；第2個臺階曲線為磨孔時產(chǎn)生的軸向力.從圖中第2個臺階曲線可以看出，由于是新刀具，刀具表面電鍍金剛石磨粒接觸到被加工材料的瞬間軸向力振幅較大.（2）經(jīng)歷了前期的不穩(wěn)定磨損階段，至第50個孔的鉆削階段處于混合磨損階段.這個階段金剛石脫落現(xiàn)象逐漸減少，其破壞形態(tài)伴有破碎、磨平等現(xiàn)象，軸向力隨鉆孔數(shù)目增加幾乎呈線性增大.（3）第3個階段為正常磨損階段.這個階段金剛石磨粒基本沒有脫落和破碎，金剛石的破壞形式以磨耗磨損（磨平）為主.金剛石磨粒的棱邊逐漸被磨圓滑、磨平，金剛石磨粒的端面受到被加工材料的機械摩擦先是產(chǎn)生劃痕最終被磨耗成一個平面.此時，金剛石磨粒被磨平后失去原有鋒利的切削刃，與被加工材料的接觸面積變大，加工難度變大，軸向力也呈線性增大，但較第2階段平緩.

圖8 鉆削第1個孔時軸向力－時間關系曲線Fig.8 Correlation between thrust force and time when drilling the 1st hole

圖9 金剛石磨粒各磨損形態(tài)比例與鉆孔數(shù)目關系曲線Fig.9 Relation curves between proportions of each diamond abrasive wear pattern and hole numbers

圖9是金剛石磨粒各磨損形態(tài)比例（Ri）與鉆孔數(shù)目之間的關系曲線.由4個圖比較可以看出，前7個孔的鉆削過程完整的金剛石磨粒急劇減少，此時相應地，脫落狀態(tài)的金剛石磨粒比例急劇上升，破碎和磨平兩種狀態(tài)的金剛石磨粒比例一共只占15%左右，電鍍金剛石磨粒形態(tài)主要為脫落形式.此后隨著連續(xù)鉆削的進行，完整的金剛石磨粒比例緩慢線性減少；脫落金剛石磨粒比例趨于平穩(wěn)，脫落已經(jīng)不再是金剛石磨粒的主要磨損形式；破碎金剛石磨粒比例趨于平穩(wěn)但存在上下震蕩，主要表現(xiàn)為破碎形態(tài)和磨平形態(tài)之間的相互轉換；磨平金剛石磨粒的比例在連續(xù)鉆削至40個孔以后幾乎呈線性增大，導致軸向力呈線性增大.這些實際情況與上述對軸向力－鉆孔數(shù)目變化曲線的解釋吻合.

為了量化評價磨粒磨損形態(tài)對軸向力的影響程度，決定采用相關性分析方法[11].首先設定置信水平（0.05和0.01），置信水平表示線性相關的程度.通常當｜r｜大于相關系數(shù)實用價值驗證表上α＝0.05相應的值，但小于表上α＝0.01相應的值時，稱x與y有顯著的線性關系；如果｜r｜大于表上α＝0.01相應的值，稱x與y有十分顯著的線性關系；如果｜r｜小于表上α＝0.05相應的值，稱x與y沒有明顯的線性關系.

針對本次鉆削試驗，根據(jù)自由度f＝n－2＝20，當設定顯著性水平α＝0.05時，查得臨界值rα＝0.05＝0.423；當設定顯著性水平α＝0.01時，查得臨界值rα＝0.01＝0.537.根據(jù)金剛石各磨粒磨損形態(tài)比例與軸向力的數(shù)值，可以求出其相應的相關系數(shù).完整、脫落、破碎和磨平4種磨損形態(tài)與軸向力間的相關系數(shù)分別為－0.868、0.660、0.624和0.937，絕對值均大于rα＝0.01（＝0.537），可見軸向力與4種金剛石磨粒磨損形態(tài)間均具有十分顯著的線性關系.其中，軸向力與完整顆粒比例之間為負相關；軸向力與脫落、破碎、磨平顆粒比例三者之間為正相關.而且，磨平顆粒比例的相關系數(shù)絕對值最大，說明這種磨粒磨損形態(tài)對軸向力大小的變化影響最大，與軸向力之間呈現(xiàn)出近乎線性關系.

2.3 鉆孔質量及孔徑變化

本次試驗一共連續(xù)鉆削了100個孔，從始至終鉆孔入口和出口都保持著良好的質量，第100個孔的鉆削質量見圖10，仍然無明顯的毛刺和撕裂現(xiàn)象.

圖10 鉆孔入口及出口質量Fig.10 Quality of hole entrance and exit

通過對已加工孔的孔徑測量，可以得出孔徑d隨鉆孔數(shù)目的變化，見圖11.從圖中可以看出，前20個孔的孔徑急劇減小，之后由于在第45個孔和第50個孔之間被加工復合材料板的夾持不當，發(fā)生稍微竄動，孔徑有一個突然的增大，但其余已加工孔的孔徑公差在0.013 mm的范圍內(nèi)震蕩變化.總之，鉆削至第20個孔之后，孔徑公差變化的幅度在0.024 mm之內(nèi)，符合企業(yè)對于 6碳纖維復合材料鉆孔的精度要求，即IT9精度（0.03 mm）.可見，一把新的電鍍金剛石鉆磨組合刀具在經(jīng)過預使用（加工20個孔以后）使其度過初期不穩(wěn)定磨損階段后，或是經(jīng)過預處理，對刀具表面的金剛石磨粒進行修整后，能夠較好地保證加工孔的質量.

圖11 孔徑隨鉆孔數(shù)目的變化Fig.11 Diameter variation with hole number

3 結 論

（1）電鍍金剛石鉆磨組合刀具在鉆削T300碳纖維復合材料過程中，金剛石磨粒的磨損形態(tài)有完整、脫落、破碎和磨平4種形式.

（2）對于電鍍金剛石鉆磨組合刀具，其金剛石磨粒在鉆磨T300碳纖維復合材料過程中的磨損階段并未出現(xiàn)一般金剛石磨粒磨損的初始磨損、正常磨損和劇烈磨損3個階段，而是具有獨特的初期不穩(wěn)定磨損階段、混合磨損階段和正常磨損階段3個階段.

（3）隨著鉆孔數(shù)目的增加，鉆削產(chǎn)生的軸向力逐漸增大，鉆孔的孔徑經(jīng)過刀具初期磨損后，孔徑的變化在連續(xù)加工100個孔后仍然保持在允許的0.024 mm范圍內(nèi).

（4）金剛石磨粒的4種磨損形態(tài)與鉆削產(chǎn)生的軸向力都具有十分顯著的線性關系.其中，磨粒磨耗磨損（磨平）比例的相關系數(shù)絕對值最大，其對軸向力大小的變化影響也最大.

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