專用鉆頭鉆削碳纖維復合材料的試驗研究*

吳碧金 楊小璠 李友生

(①集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門36102;②廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門361006)

碳纖維復合材料(CFRP)具有輕質、高強度、小膨脹系數、良好的耐熱性和吸振性能，是一種綜合性能很好的復合材料，在航空航天、汽車等領域己有廣泛的應用。在復合材料的廣泛應用中，需要大量的二次機械加工，尤其是在復合材料的零件與其他零部件裝配連接時，不可避免地要進行大量孔加工。但是碳纖維復合材料力學性能呈各向異性，層間強度低，鉆孔加工時存在易產生缺陷、刀具磨損嚴重、加工效率低下、環(huán)境污染嚴重等諸多問題，是典型的難加工材料［1-3］。碳纖維復合材料在鉆孔加工時極易產生毛刺、撕裂、分層等缺陷，鉆孔時刀具對材料的作用力是促使被加工孔產生變形和缺陷的最主要原因。國內外的學者通過實驗和研究也發(fā)現了復合材料鉆孔時產生的缺陷與鉆削力密切相關，減小鉆削力可以有效降低鉆孔出口分層缺陷的發(fā)生［4-5］。并通過優(yōu)選鉆頭的材料、優(yōu)化刀具幾何參數和選擇合適的進給速度、進給量、鉆頭轉速，以減小鉆削力，提高孔加工質量和鉆頭使用壽命［6-7］。目前還較少有涉及改變刀具形狀對碳纖維復合材料鉆孔質量的研究。本文以碳纖維復合材料孔加工的專用鉆頭——金剛石涂層匕首鉆為研究對象，并與普通鉆頭——硬質合金麻花鉆頭進行對比，分別對鉆頭切削刃的磨削、刀具使用壽命和鉆孔入出口質量等方面進行分析比較。

1 碳纖維復合材料專用鉆頭簡介

普通硬質合金麻花型鉆頭在鉆尖處存在橫刃，實際上在鉆孔時橫刃不產生切削作用，但橫刃卻是軸向力的主要來源，同時也是鉆孔過程中熱量的主要產生部位［2］，是鉆孔過程中導致孔產生缺陷的一個主要因素。針對普通鉆頭的結構缺陷，廈門金鷺特種合金有限公司研發(fā)了一種碳纖維復合材料專用鉆頭——金剛石涂層匕首鉆，這是一種直刃型的鉆、鉸復合鉆，由鉆頭切削部分、導向部分和鉸刀切削校準部分組成，其螺旋角為90°。專用鉆頭照片如圖1所示。由于匕首鉆在鉆尖處沒有橫刃存在，大大減小了鉆削軸向力，可有效地降低鉆孔中的分層破壞;直切削刃刃口鋒利，極易快速切斷纖維，可減小入出口處的毛刺和撕裂。

2 試驗設備與試驗參數

以碳纖維復合材料板(外購，板厚t=7.8 mm)作為被加工件，在數控機床上(機床參數見表1)分別用普通硬質合金麻花鉆頭和碳纖維復合材料專用鉆頭——金剛石涂層匕首鉆進行鉆孔試驗，刀具規(guī)格均為φ6 mm×26 mm，刀具形狀如圖1所示。

表1 機床參數

由于鉆頭的直徑、機床主軸轉速和進給速度都會對孔加工質量產生較大影響［8］，為了使試驗結果具有可比性，本實驗選擇的刀具規(guī)格相同，切削參數也一致。具體切削參數見表2。

表2 切削參數

3 試驗結果與分析

分別對普通鉆頭和專用鉆頭鉆孔后的切削刃磨損量和鉆出孔的直徑和形狀進行照相測量，測量儀器采用影像儀KEYENCE，其型號規(guī)格為VHX100。

3.1 刀具磨損對比

普通鉆頭和專用鉆頭的主切削刃磨損量變化曲線如圖2所示。從圖中可以看出:普通鉆頭在鉆孔過程中，其主切削刃快速磨損，當鉆孔數量達到100個時，主切削刃的磨損量已經達到40μm;而專用鉆頭在剛開始鉆孔，主切削刃磨損較快，這主要是由于金剛石涂層磨粒脫落所致。但其主切削刃的磨損很快達到穩(wěn)定磨損階段，隨著鉆孔數量的增加，主切削刃的磨損量略微增大，當鉆孔數量達到100個時，主切削刃的磨損量約為23μm;當鉆孔數量達到220個時，主切削刃的磨損量僅約為26μm。普通鉆頭和專用鉆頭的副切削刃磨損量變化曲線如圖3所示。專用鉆頭在前60個孔加工過程中，由于金剛石涂層磨粒的脫落，副切削刃的磨損比普通鉆頭的快，但在后續(xù)鉆孔中，副切削刃的磨損量達到穩(wěn)定磨損階段，基本趨于穩(wěn)定值18～19μm。

普通鉆頭為未涂層硬質合金刀具，在切削過程中，刀面與工件之間在極大的壓力下劇烈摩擦，瞬時產生很高的切削溫度，使刀具材料軟化，加速了刀具的磨損。由于專用鉆頭采用了金剛石涂層，而涂層材料可在刀具基體與工件之間起到熱屏障作用，減小作用于刀具基體的熱應力，同時還起到固體潤滑劑的作用，減小了切削摩擦及切屑對刀具的粘附。并且金剛石涂層材料具有超高的硬度和耐磨性、較高的化學穩(wěn)定性和較小的摩擦系數，在高溫下仍可以正常切削，所以其切削刃耐磨損，使用壽命長。

3.2 鉆孔質量對比

碳纖維復合材料孔加工的缺陷主要有孔入口崩裂和起毛、孔壁分層、孔出口撕裂和起毛、孔形不圓以及尺寸誤差等。

(1)鉆孔尺寸精度的對比

對比普通鉆頭的鉆孔孔徑變化曲線(圖4)和專用鉆頭的鉆孔孔徑變化曲線(圖5)，可以看出:隨著鉆頭切削刃的磨損，普通鉆頭和專用鉆頭鉆出孔的直徑總體上呈逐漸減小趨勢。在前100個孔中，普通鉆頭孔徑的誤差范圍為-0.04～-0.01 mm;在前400個孔中，專用鉆頭孔徑的誤差范圍為-0.005～+0.02 mm。專用鉆頭鉆出孔的直徑變動范圍較小，尺寸誤差也更小。這主要是由于專用鉆頭是集鉆、鉸于一體的復合鉆，鉆頭的導向部分和鉸刀切削校準部分可以保證孔加工的尺寸精度和表面質量。

(2)鉆孔入出口質量對比

圖6a、b分別為普通鉆頭鉆削第5個孔和第30個孔的入出口照片;圖6c、d、e分別為專用鉆頭鉆削第5個孔、第30個孔和第200個孔的入出口照片。對比這5組照片，可以清楚看出:普通鉆頭在鉆削第5個孔時，入口處就開始出現崩裂，出口處出現明顯的撕裂和毛邊。而專用鉆頭在鉆削第30個孔時，入出口開始出現輕微崩裂和毛邊。由于匕首鉆在鉆尖處沒有橫刃存在，大大減小了鉆削軸向力，可有效地降低鉆孔中的分層破壞;直切削刃刃口鋒利，極易快速切斷纖維，可減小入出口處的毛刺和撕裂。

4 結語

本文就碳纖維復合材料專用鉆頭——金剛石涂層匕首鉆在碳纖維復合材料鉆孔加工時進行了刀具磨損和鉆孔效果的試驗研究，并與普通鉆頭進行對比分析，得出如下結論:

(1)專用鉆頭的切削刃磨損量較小，比普通鉆頭更耐磨，刀具使用壽命將更長。

(2)在相同加工條件下，鉆削碳纖維復合材料時，專用鉆頭比普通鉆頭鉆削出的孔的尺寸精度高、表面質量好。

因此金剛石涂層匕首鉆更適合于碳纖維復合材料的加工。

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