碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔加工中刀具磨損試驗(yàn)研究

中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 孫忠海 翟 南 郭志濤

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）的高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn)使其可以在航天航空業(yè)大幅度減輕機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量、改善氣動(dòng)彈性，提高飛機(jī)的綜合性能，因此，先進(jìn)復(fù)合材料在航天航空業(yè)上的應(yīng)用不斷得到擴(kuò)大[1]。碳纖維的高硬度、高強(qiáng)度及導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)使其成為典型的難加工材料。CFRP鉆孔過(guò)程中，刀具磨損嚴(yán)重。刀具磨損會(huì)造成鉆孔質(zhì)量下降，孔口處出現(xiàn)撕裂、起毛、分層等加工缺陷，孔壁表面粗糙度高；同時(shí)，磨損過(guò)快將導(dǎo)致刀具報(bào)廢，影響加工效率、提高經(jīng)濟(jì)成本，使批量加工CFRP成為難題。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CFRP的鉆孔加工過(guò)程中刀具的磨損進(jìn)行研究，從而得到結(jié)論：大連理工大學(xué)的高航、劉國(guó)興等[2]采用電鍍金剛石組合刀具鉆削CFRP，得出金剛石磨粒磨損可分為3個(gè)階段，磨損形態(tài)與軸向力相關(guān)；南京航天航空大學(xué)的賀虎[3]使用金剛石套料鉆鉆削CFRP，通過(guò)對(duì)比軸向力和磨損值得出，套料鉆更適合鉆削CFRP；武漢設(shè)計(jì)研究院的張毅等[4]采用超聲波振動(dòng)銑削CFRP研究刀具磨損，得出超聲振動(dòng)條件下，刀具磨損較弱，刀具的使用壽命高，相對(duì)于傳統(tǒng)切削更適合復(fù)合材料的加工；法國(guó)的Iliescu和西班牙的D.Gehi、M.E.Gutierrez等[5]使用金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭和未涂層的硬質(zhì)合金鉆頭鉆削CFRP，建立了進(jìn)給速度、切削速度、刀具磨損值和軸向力之間的數(shù)學(xué)模型。

鉆削加工中，切削刃的鋒利性隨著切削力、高溫和滑動(dòng)磨損的改變而改變，刀具磨損依賴(lài)于刀具類(lèi)型、加工材料、切削條件和潤(rùn)滑劑的選擇。隨著加工時(shí)間的延長(zhǎng)，刀具的切削刃越來(lái)越鈍，工件的加工質(zhì)量也嚴(yán)重下降。許多學(xué)者證實(shí)了切削力是反應(yīng)加工狀況的高度敏感的信息載體，所以測(cè)量切削力是間接測(cè)量刀具磨損的一種有效方法，切削力的變化能精確可靠地評(píng)價(jià)刀具磨損和失效[6-9]。目前，國(guó)內(nèi)外普遍使用PCD刀具作為加工CFRP的主流刀具，但是PCD刀具的價(jià)格較高，韌性較低，在加工超硬材料時(shí)容易產(chǎn)生崩刃。本文通過(guò)PCD刀具及硬質(zhì)合金刀具鉆孔CFRP時(shí)刀具磨損、加工質(zhì)量的對(duì)比說(shuō)明刀具性能。

1 鉆削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)備

機(jī)床采用某立式加工中心，軸向力測(cè)定系統(tǒng)包括壓電式傳感器YDX-III9702，電荷放大器YE5850、A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)組成；后刀面磨損的研究設(shè)備包括體視顯微鏡、圖像標(biāo)尺軟件Image Measure及JEOLJSM-6380LV型掃描電鏡。

試驗(yàn)材料為環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，以平紋交織形式鋪層，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為60%，厚度為10mm，其具體性能如表1。

表1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能

1.2 試驗(yàn)刀具及方法

試驗(yàn)選用2種鉆頭（φ12mm整體硬質(zhì)合金麻花鉆、φ12mm PCD麻花鉆）進(jìn)行單因素試驗(yàn)來(lái)比較鉆削時(shí)間、鉆削軸向力及后刀面磨損值VB的關(guān)系。試驗(yàn)參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速2000r/min、進(jìn)給速度40mm/min。每3個(gè)孔測(cè)量一次軸向力及VB值。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

硬質(zhì)合金鉆頭YG6X試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由于PCD鉆頭的耐磨性遠(yuǎn)高于YG6X，在鉆削開(kāi)始階段，VB值過(guò)小不宜測(cè)量，故從第17個(gè)孔開(kāi)始測(cè)量其后刀面磨損值VB和軸向力，并適當(dāng)放寬測(cè)量孔數(shù)間隔，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 YG6X鉆頭的磨損值及軸向力

表3 PCD鉆頭的磨損值VB與軸向力

從表2～3可以看出，后刀面的磨損值VB與軸向力均隨鉆孔數(shù)量的增加而增大。隨即給出硬質(zhì)合金YG6X與PCD鉆頭加工孔數(shù)、后刀面磨損值VB及軸向力之間的關(guān)系對(duì)比圖如圖1～3所示。

圖2 加工孔數(shù)對(duì)軸向力的影響Fig.2 Influence of hole number on Fz

圖3 VB值對(duì)軸向力的影響Fig.3 Influence of VB value on Fz

從圖1、2中可以看出，隨著加工孔數(shù)的增加，后刀面的磨損值VB與軸向力均持續(xù)上升。圖3說(shuō)明軸向力隨著VB值的增大而增加。工業(yè)中，刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為0.6[10]。但從圖2、3中可以發(fā)現(xiàn)，加工第9個(gè)到第12個(gè)孔之間，軸向力的變化趨勢(shì)趨于平緩，達(dá)到了正常磨損階段，切削的接觸面積增大，單位面積上受到的壓力逐漸減小，后刀面的表面已經(jīng)磨平，因此磨損速度相對(duì)變慢，切削過(guò)程比較穩(wěn)定，是刀具的有效工作階段；而加工第12個(gè)孔時(shí)，即當(dāng)后刀面的磨損值VB達(dá)到0.12時(shí)，達(dá)到刀具的急劇磨損階段，軸向力的斜率變大，使軸向力的增大趨勢(shì)更加明顯，軸向力達(dá)到177N，因此工業(yè)中加工CFRP材料時(shí)，對(duì)刀具的耐磨性要求更高。軸向力斜率突變是由于在切削加工過(guò)程中，持續(xù)產(chǎn)生的切削熱和切削摩擦力使刀具持續(xù)磨損。隨著刀具的不斷磨損，切削熱和切削摩擦力也隨著增大，產(chǎn)生惡性循環(huán)。當(dāng)磨損值達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，即切削熱和切削摩擦力也達(dá)到一定臨界點(diǎn)，軸向力突然增大。

使用體式顯微鏡和掃描電鏡拍攝鉆頭表面磨損形式我們可以發(fā)現(xiàn)，在切削刃的后刀面發(fā)生了嚴(yán)重的磨粒磨損，CFRP中的碳纖維硬度很高，在切削過(guò)程中硬質(zhì)點(diǎn)不停磨損刀具后刀面，對(duì)刀具后刀面的研磨作用，在后刀面沿切削速度方向劃出溝痕，形成磨粒磨損。磨粒磨損最嚴(yán)重處為后刀面主切削刃的外緣處。相同時(shí)間內(nèi)，切削刃外緣的切削行程最長(zhǎng)，所受到的沖擊力、摩擦力及摩擦熱也最為嚴(yán)重，切削條件最為惡劣。CFRP中的碳纖維作為硬質(zhì)點(diǎn)并不是均勻分布在材料之中，切削過(guò)程相當(dāng)于斷續(xù)切削，刀刃處承受持續(xù)的交變載荷，由于硬質(zhì)合金本身的抗彎強(qiáng)度和韌性較差，所以在承受交變應(yīng)力的過(guò)程中，容易產(chǎn)生崩刃。

切削刃后刀面的粘附磨損，類(lèi)似于切削金屬時(shí)的積屑瘤。在切削CFRP的過(guò)程中，刀具和CFRP的導(dǎo)熱性差，熱量無(wú)法及時(shí)散出，加工溫度持續(xù)升高，使CFRP中的樹(shù)脂軟化，切削過(guò)程中的持續(xù)接觸應(yīng)力，使刀具和材料產(chǎn)生分子級(jí)別間的接觸，在接觸點(diǎn)形成強(qiáng)力的粘著，且粘著物不會(huì)隨著持續(xù)切削脫落，嚴(yán)重影響后刀面的切削能力。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以得出，PCD鉆頭鉆削CFRP材料時(shí)，仍然符合隨著鉆孔數(shù)量即加工時(shí)間的增加，后刀面的磨損值及軸向力隨之增大的規(guī)律。同時(shí)也可以看出，隨著加工孔數(shù)的增多，軸向力和VB值的變化并不明顯，可以推斷，PCD刀具加工CFRP的效果遠(yuǎn)好于硬質(zhì)合金。

使用體式顯微鏡和掃描電鏡拍攝鉆頭表面磨損形式觀察PCD刀具的照片發(fā)現(xiàn)，PCD鉆頭主要的磨損形式為磨粒磨損和切屑粘附。PCD刀片在切削過(guò)程中持續(xù)承受交變載荷和熱作用，致使PCD刀片產(chǎn)生機(jī)械疲勞和熱疲勞，導(dǎo)致PCD表層材料的粘結(jié)晶粒之間產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而使金剛石顆粒之間的連接狀態(tài)惡化，晶界強(qiáng)度降低，刀具抗磨能力下降。隨著切削時(shí)間的增加，金剛石顆粒周?chē)恼辰Y(jié)劑被刮除，使PCD顆粒脫落，造成磨粒磨損。PCD鉆頭是將PCD刀片釬焊在高速鋼基體上，而PCD刀片的導(dǎo)熱性強(qiáng)于高速鋼基體，因此PCD刀片附近的高速鋼基體的熱量比較集中，軟化的樹(shù)脂粘附在高速鋼基體上。

3 結(jié)論

（1）從數(shù)據(jù)上分析，隨著鉆頭鉆孔數(shù)量的增加，硬質(zhì)合金鉆頭YG6X和PCD鉆頭，鉆孔軸向力及刀具后刀面磨損值VB均增大。PCD鉆頭的上升趨勢(shì)較YG6X緩慢，由此說(shuō)明PCD鉆頭更適于加工CFRP。

（2）YG6X在鉆削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磨粒磨損、粘著磨損及崩刃，這主要是刀具導(dǎo)熱性差，較脆且強(qiáng)度不夠造成的；PCD刀具出現(xiàn)磨粒磨損和粘著磨損的形式，但是磨粒磨損程度較慢，且粘著物主要集中在高速鋼基體上，對(duì)切削性能影響不大，故PCD鉆頭更適合加工CFRP。

（3）試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)和圖片顯示，PCD鉆頭在鉆削CFRP材料時(shí)表現(xiàn)出良好的切削性能，刀具磨損緩慢，磨損形式簡(jiǎn)單。

[1] 上官倩芡，蔡泖華. 碳纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用. 上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(3)：275-278.

[2] 高航，劉國(guó)興，張選龍，等. 電鍍金剛石刀具鉆削碳纖維復(fù)合材料磨粒磨損特征研究. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，51(5)：675-680.

[3] 賀虎，碳纖維復(fù)合材料鉆削力與質(zhì)量研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[4] 張毅.超聲振動(dòng)銑削碳纖維復(fù)合材料刀具磨損研究.精密制造與自動(dòng)化，2010(2)：13-15.

[5] Iliescu D，Gehin D，Gutierrez M E，et al. Modeling and tool wear in drilling of CFR. International Journal of Machine Tools & Manufacture，2010，50:204-213.

[6] Kim H Y，Ahn J H，Kim S H，et al. Real-time drill wear estimation based on spindle motor power. Journal of Materials Processing Technology，2002，124(3):267-73.

[7] Oh Y T，Kwon W T，Chu C N. Drilling torque control using spindle motor current and its effect on tool wear. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2004，24(5-6):327-34.

[8] Ertunc H M，Oysu C. Drill wear monitoring using cutting force signals. Mechatronics，2004，14(5):533-48.

[9] Abu-Mahfouz I. Drill flank wear estimation using supervised vector quantization neural networks. Neural Computing and Applications，2005，14(3):167-75.

[10] 王瑞新.PCD刀具鉆削碳纖維復(fù)合材料研究. 工具技術(shù)，2012，46(5)：72-74.