階梯鉆鉆削碳纖維復(fù)合材料的鉆削力及孔質(zhì)量

冷小龍 李鵬南 牛秋林 邱新義 許 磊

(湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、高比模量、高阻尼、高抗腐蝕性和低熱脹系數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、國防和汽車行業(yè)中使用的比重越來越高[1]。然而碳纖維復(fù)合材料具有相異性和異質(zhì)性，在制孔過程中會(huì)出現(xiàn)很多缺陷，例如分層、毛刺、撕裂等；另一方面，碳纖維復(fù)合材料和其他材料連接時(shí)常用螺栓連接，連接有效性取決于加工孔的質(zhì)量。因制孔加工缺陷而造成的碳纖維復(fù)合材料報(bào)廢數(shù)量占全部報(bào)廢量的60%，關(guān)于如何提高制孔質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。

加工工藝方面，劉剛等[2]通過對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺旋銑孔工藝的研究，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后鉆削力降低30%以上，孔出入口處均無撕裂、毛刺產(chǎn)生，加工質(zhì)量好。王震等[3]對(duì)比研究了螺旋銑削加工與鉆削加工碳纖維復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)螺旋銑削制孔方式，孔出入口毛刺少，撕裂現(xiàn)象較少，軸向力比較小，無分層現(xiàn)象。KARNIK等[4]研究了鉆削參數(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料孔分層的影響，研究表明高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給速度可以有效減少分層的產(chǎn)生。TSAO[5]研究了碳纖維復(fù)合材料制孔過程中導(dǎo)向孔對(duì)孔質(zhì)量的影響，研究表明導(dǎo)向孔直徑為鉆孔直徑的20%左右可以得到較好的制孔質(zhì)量。李自軍等[6]的研究結(jié)果表明階躍式多元變參數(shù)振動(dòng)技術(shù)可以提高孔的加工質(zhì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的高效精密制孔。張厚江等[7]發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)對(duì)孔壁表面質(zhì)量有直接影響，優(yōu)化工藝參數(shù)可以減少孔壁表面損傷、提高制孔質(zhì)量。SOO等[8]等發(fā)現(xiàn)電鍍金剛石刀具的“以磨代鉆”技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料高效、高質(zhì)量的制孔。CONG等[9-10]采用旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料/鈦合金疊層板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明超聲振動(dòng)加工可明顯降低軸向力、孔壁表面粗糙度，提高孔徑尺寸精度，碳纖維復(fù)合材料孔出口無毛刺和分層現(xiàn)象。刀具材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，ZITOUNE等[11]采用納米復(fù)合涂層鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)納米復(fù)合涂層鉆頭可以有效降低鉆削軸向力，得到良好的制孔質(zhì)量。賀虎[12]通過采用釬焊金剛石鉆削碳纖維復(fù)合材料，結(jié)果表明當(dāng)鉆削軸向力小于臨界鉆削力(200 N)時(shí)，可以獲得好的制孔質(zhì)量。FERNANDES等[13]采用的直槽鉆優(yōu)化了橫刃、鉆尖角和螺旋角，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)直槽鉆可以快速排出切屑，降低軸向鉆削力、防止孔出口分層產(chǎn)生，明顯提高制孔質(zhì)量。吳碧金等[14]使用金剛石涂層匕首鉆對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明金剛石涂層匕首鉆比普通麻花鉆使用壽命更長，鉆孔尺寸精度更高，表面質(zhì)量更好。PAULO等[15]通過研究不同鉆削參數(shù)條件下的分層現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)合理的刀具結(jié)構(gòu)和鉆削參數(shù)可以避免分層缺陷的產(chǎn)生。MARQUES等[16]采用幾種不同結(jié)構(gòu)的鉆頭加工碳纖維復(fù)合材料，結(jié)果表明階梯鉆可以明顯降低鉆削力，采用階梯鉆制孔可以防止孔缺陷的產(chǎn)生。TSAO等[17]基于鉆鉸一體加工原理，優(yōu)化階梯套料鉆切削部分，有效降低了鉆削力，提高了孔壁表面的質(zhì)量，碳纖維復(fù)合材料孔出口無毛刺、分層的產(chǎn)生。KARPAT等[18]研究發(fā)現(xiàn)PCD鉆頭可以有效降低鉆削軸向力，制孔質(zhì)量明顯提高。ENEYEW等[19]采用PCD鉆頭對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉆削力隨著進(jìn)給速度的增加而增加，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大急劇減小，高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給速度可以獲得更好的制孔質(zhì)量。目前聚晶金剛石鉆頭(PCD)是鉆削碳纖維復(fù)合材料的最佳刀具選擇，但是該刀具造價(jià)高、生產(chǎn)難度大。隨著我國復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料的使用越來越廣泛，因此，后續(xù)加工理論與工藝的研究，尤其是碳纖維復(fù)合材料孔加工工具及其孔加工質(zhì)量的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

復(fù)合材料的加工仍以鉆削為主，一種高效的鉆削刀具，往往能夠大大提高鉆削效率和制孔質(zhì)量。本文根據(jù)碳纖維復(fù)合材料孔缺陷的成型機(jī)理，磨制了一種專用刀具(階梯鉆)鉆削碳纖維復(fù)合材料，從鉆削力、孔出口分層毛邊和孔壁粗糙度等方面進(jìn)行分析，并和普通麻花鉆進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 工件材料和刀具

材料為T700碳纖維復(fù)合材料單向板，鋪層形式：24層[0°/-/+/0°/+/90°/-/0°/-/90°/+/0°]s，長300 mm、寬200 mm、厚3 mm。T700碳纖維的力學(xué)性能如表1所示。

表1 T700碳纖維的基本力學(xué)性能

刀具為普通標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆和自主設(shè)計(jì)磨制的階梯鉆,直徑都為6 mm，如圖1所示，階梯鉆的棒料采用優(yōu)質(zhì)超細(xì)碳化鎢粉末為原料，其WC晶粒尺寸為0.2～0.3 μm，牌號(hào)為ST2F，刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)

(a) 階梯鉆

(b) 普通麻花鉆

(c) 階梯鉆結(jié)構(gòu)示意圖

采用的鉆頭具有兩個(gè)階梯，是鉆孔和擴(kuò)孔的復(fù)合體，也可以認(rèn)為是初始刃口(第一主切削刃)和次級(jí)刃口(第二主切削刃)復(fù)合而成，第一階梯部分預(yù)鉆孔，減小了對(duì)中心材料的去除，特別是削弱了橫刃對(duì)軸向力的影響，第二主切削刃非常鋒利，可以快速有效的切斷纖維，避免分層和毛邊等缺陷的發(fā)生。階梯鉆的螺旋角38°，容屑空間大，切屑排除順暢，避免了切屑對(duì)孔質(zhì)量的影響。階梯鉆具有刀尖鋒利、多刃切削、耐磨性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，適合鉆削難加工材料。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件和方案

鉆削實(shí)驗(yàn)在KVC800/1立式加工中心上進(jìn)行，該鉆削平臺(tái)還包括夾具、鉆削軸向力測(cè)量系統(tǒng)和吸塵器。采用超景深三維顯微系統(tǒng)(KEYENCE VHX-500FE)對(duì)孔進(jìn)行觀察，可放大倍率為20～5 000倍，能夠觀察和準(zhǔn)確測(cè)量已鉆削加工孔的形貌及撕裂情況?？妆诒砻娲植诙炔捎肕ar Surf M300表面結(jié)構(gòu)測(cè)量儀進(jìn)行測(cè)量。軸向力采用Kistler 9253B23三向壓電式測(cè)力儀進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)采用干式切削，由于切削過程有導(dǎo)電粉塵產(chǎn)生，且碳纖維復(fù)合材料的切屑硬度很高，對(duì)刀具和孔的質(zhì)量損傷很大，因此在鉆削區(qū)域附近安裝吸塵器，及時(shí)吸走大量的粉塵。

鉆削實(shí)驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，主軸轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，進(jìn)給速度f=30、70、110、150 mm/min；進(jìn)給速度f=70 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速n=2 000、3 000、4 000、5 000 r/min。每組參數(shù)進(jìn)行兩次鉆削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果取兩次實(shí)驗(yàn)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉆削力分析

在碳纖維復(fù)合材料鉆削過程中，鉆削力的大小直接影響到制孔的質(zhì)量，加工孔的很多缺陷都是由于鉆削軸向力過大引起的，減小鉆削力可有效避免分層、毛邊、燒傷等缺陷的產(chǎn)生[20]。圖2和圖3分別是階梯鉆和普通麻花鉆鉆削力隨時(shí)間變化的特征曲線，主軸轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，進(jìn)給速度f=70 mm/min。

從階梯鉆鉆削碳纖維復(fù)合材料軸向推力變化曲線可以看出，鉆削過程可以分為六個(gè)重要階段：首先，A-B階段是當(dāng)階梯鉆第一階梯部分的橫刃和第一主切削刃鉆入復(fù)合材料時(shí)，軸向推力會(huì)急劇增加，第一主切削刃全部鉆入工件材料內(nèi)部并鉆穿最底層材料時(shí)，軸向推力達(dá)到最大值；B-C階段軸向推力逐漸減小，這是因?yàn)闄M刃突破碳纖維復(fù)合材料板背表面，不參與切削，只有第一主切削刃在進(jìn)行切削作用，進(jìn)入擴(kuò)孔階段；C-D階段是當(dāng)?shù)谝恢髑邢魅星邢魍曜詈笠粚硬牧蠒r(shí)，軸向推力急劇減小為零；D-E階段是過渡，不參與切削；E-F階段是第二主切削刃開始切入工件材料， 軸向推力急劇增大，其中最大的軸向推力值出現(xiàn)在第二主切削刃鉆穿工件最底層材料時(shí)；F-G階段是第二主切削刃逐漸鉆出工件，軸向推力不斷減?。籊-H階段是第二主切削刃完全鉆穿工件，軸向推力急劇減小到零。

(a) 鉆削力隨時(shí)間的變化曲線(b) 鉆削過程圖2 階梯鉆鉆削力隨時(shí)間變化曲線及鉆削過程

(a) 鉆削力隨時(shí)間的變化曲線(b) 鉆削過程圖3 普通麻花鉆鉆削力隨時(shí)間變化曲線及鉆削過程

普通麻花鉆鉆削碳纖維復(fù)合材料的過程可分為四個(gè)重要階段：A-B階段與階梯鉆的A-B階段相同，由于橫刃并沒有切削材料，而是在擠壓材料，導(dǎo)致軸向推力急劇增大；B-C階段主切削刃開始切削材料，切削力繼續(xù)增大，但是增長速率小于A-B階段，當(dāng)橫刃鉆穿工件最底層材料時(shí)，鉆削軸向推力達(dá)到最大值；C-D階段軸向推力逐漸減小，這是由于沒有橫刃的作用，只有主切削刃在進(jìn)行鉆削；D-E階段鉆削軸向力急劇減小，當(dāng)主切削刃切削完最后一層材料時(shí)，鉆削力減小為零。

圖4為階梯鉆和普通麻花鉆最大軸向力的對(duì)比。在主軸轉(zhuǎn)速(n=3 000 r/min)相同的條件下，階梯鉆和普通麻花鉆的軸向力特征曲線的變化趨勢(shì)是相似的，隨著進(jìn)給速度的增大，軸向力也逐漸增大，這是由于進(jìn)給速度增大，鉆頭每轉(zhuǎn)一圈切除的材料體積增加，切削刃切斷纖維需要克服的阻力也隨之增大，鉆削軸向力就會(huì)明顯增大。在進(jìn)給速度(f=70 mm/min)相同的情況下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，鉆削軸向力逐漸減小，這是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速增大，每轉(zhuǎn)切削刃需要切除的厚度會(huì)減小，鉆尖與工件材料接觸的時(shí)間減少，摩擦力也隨之減小，鉆削軸向力就會(huì)相應(yīng)減小。在主軸轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，進(jìn)給速度f=30、70、110、150 mm/min時(shí)，普通麻花鉆的鉆削力分別比階梯鉆的鉆削力大107.40%、101.06%、103.18%、119.50%。在進(jìn)給速度f=70 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速n=2 000、3、000、4 000、5 000 r/min時(shí)，普通麻花鉆的鉆削力分別比階梯鉆的鉆削力大102.43%、93.91%、77.54%、82.15%。在相同的鉆削參數(shù)下，普通麻花鉆的鉆削力比階梯鉆的鉆削力將近大兩倍，這是由于階梯鉆獨(dú)有的鉆頭結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，在復(fù)合材料的加工過程中，會(huì)出現(xiàn)很多制孔缺陷，大部分缺陷是由于軸向力過大引起的，而軸向力的主要來源是橫刃，橫刃在鉆孔過程中擠壓材料并沒有切削作用，會(huì)產(chǎn)生很大的軸向力和很多的熱量，階梯鉆第一階梯部分首先進(jìn)行鉆削加工，與普通麻花鉆相比，階梯鉆的橫刃和第一主切削刃都很短，很大程度上減小了鉆削軸向力。

(a) 鉆削力隨進(jìn)給速度變化曲線(n=3 000 r/min) (b) 鉆削力隨主軸轉(zhuǎn)速變化曲線(f=70 mm/min)

圖4 兩種鉆頭鉆削力隨加工參數(shù)變化曲線

Fig.4 Drilling force changes with the processing parameters of two drills

對(duì)比兩張圖，可以發(fā)現(xiàn)普通麻花鉆的鉆削力的變化幅度比階梯鉆明顯大一些，隨著進(jìn)給速度的增加，普通麻花鉆的鉆削力增大了95.67 N，階梯鉆的鉆削力增大了41.71 N; 隨著主軸轉(zhuǎn)度的增加，普通麻花鉆的鉆削力減小了49.17 N，階梯鉆的鉆削力減小了18.68 N，說明主軸轉(zhuǎn)速對(duì)鉆削力的影響明顯小于進(jìn)給速度對(duì)鉆削力的影響。就兩種鉆頭而言，鉆削參數(shù)的變化對(duì)階梯鉆的鉆削力影響并不大，麻花鉆的鉆削力的變化幅度明顯比階梯鉆大，從曲線變化趨勢(shì)可以看出：高主軸轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給速度可以獲得更小的鉆削力。階梯鉆產(chǎn)生的鉆削力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通麻花鉆所產(chǎn)生的鉆削力。

2.2 制孔質(zhì)量的分析

2.2.1孔出口質(zhì)量

碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合而成，各種基體材料性能差異較大以及碳纖維復(fù)合材料特殊的鋪層結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致在鉆削過程中孔出入口產(chǎn)生很多制孔缺陷，主要表現(xiàn)在孔出入口撕裂、分層和毛刺。圖5和圖6是兩種鉆頭孔出口形貌的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)階梯鉆的出口質(zhì)量明顯好于普通麻花鉆，這主要是由于：(1)軸向推力是碳纖維復(fù)合材料鉆削過程中產(chǎn)生孔缺陷的重要因素，減小碳纖維復(fù)合材料板鉆削分層和毛刺的關(guān)鍵在于降低鉆削過程中的軸向推力，階梯鉆的鉆削力幾乎比普通麻花鉆的鉆削力小一倍，這是因?yàn)殡A梯鉆的橫刃很短，幾乎可以忽略不計(jì)，橫刃是碳纖維復(fù)合材料制孔時(shí)產(chǎn)生推出機(jī)制的主要因素，橫刃對(duì)軸向推力的貢獻(xiàn)占全部的40%～60%，而階梯鉆是一種可以減小橫刃對(duì)推力影響的刀具，在不同的階段采用不同的直徑鉆頭加工孔，第一階段是鉆頭的第一階梯部分的第一主切削刃的鉆削過程，第二階段是第二主切削刃沿著階梯外緣擴(kuò)孔至最終尺寸的過程，在這個(gè)過程中，第一階段鉆削過程中產(chǎn)生的制孔缺陷為鉆削分層、撕裂和毛刺，經(jīng)過后面的擴(kuò)孔會(huì)被清除掉，階梯鉆制孔是一種預(yù)加工技術(shù)，通過分步鉆削，減小軸向推力，從而避免產(chǎn)生一些制孔缺陷；(2)階梯鉆的獨(dú)特刀具結(jié)構(gòu)也是重要因素，在第二切削過程中，第二主切削刃非常鋒利，精修孔出口，可以快速有效的切斷出口處的纖維束，避免分層毛刺等缺陷的出現(xiàn)。普通麻花鉆的橫刃和鉆頭中心附近的切削刃存在負(fù)前角，它們鉆削時(shí)擠壓材料而不是切削，當(dāng)鉆尖從出口鉆出時(shí)，由于擠壓作用，有的纖維束并不能被有效切除，導(dǎo)致分層毛刺等缺陷的產(chǎn)生。

f=30 mm/minf=70 mm/minf=110 mm/minf=150 mm/min

(a)n=3 000 r/min 階梯鉆出口形貌圖

f=30 mm/min f=70 mm/min f=110 mm/min f=150 mm/min

2.2.2孔壁表面粗糙度

圖7是在加工參數(shù)相同，階梯鉆和普通麻花鉆鉆削孔壁粗糙度的對(duì)比圖，可以看出，階梯鉆的孔壁粗糙度比普通麻花鉆小。在主軸轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，進(jìn)給速度f=30、70、110、150 mm/min時(shí)，普通麻花鉆加工的孔壁粗糙度分別比階梯鉆的孔壁粗糙度大21.77%、30.74%、58.20%、47.25%。 在進(jìn)給速度f=70 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速n=2 000、3 000、4 000、5 000 r/min時(shí)，普通麻花鉆加工的孔壁粗糙度分別比階梯鉆的孔壁粗糙度大33.33%、16.67%、43.93%、98.65%。孔壁表面粗糙度大小與鉆削力和扭矩有關(guān)。階梯鉆是具有優(yōu)化鉆頂角的鉆頭，特殊的鉆尖結(jié)構(gòu)確保了很好的定心性，階梯鉆比普通麻花鉆的鉆削力和扭矩小，鉆削過程更平穩(wěn)，產(chǎn)生振動(dòng)小，孔壁表面粗糙度更小。另一方面是由于切屑對(duì)孔壁的影響，階梯鉆的鉆削過程分為兩個(gè)階段，第一階段已經(jīng)切除部分材料，導(dǎo)致第二階段產(chǎn)生的切屑更少，相對(duì)普通麻花鉆，階梯鉆切屑對(duì)孔壁影響更小。

(a)n=3 000 r/min (b)f=70 mm/min

圖7 兩種鉆頭孔壁粗糙度對(duì)比圖

Fig.7 Comparison of hole wall roughness of two drills

3 結(jié)論

(1)在鉆削參數(shù)相同的情況下，普通麻花鉆的鉆削軸向力比階梯鉆的鉆削軸向力將近大一倍，鉆削軸向力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨進(jìn)給速度的增大而增大。

(2)在鉆削參數(shù)相同的情況下，階梯鉆孔出口形貌光滑、整齊，普通麻花鉆孔出口有明顯的分層、撕裂和毛刺等缺陷，階梯鉆的孔壁粗糙度小于普通麻花鉆，階梯鉆制孔質(zhì)量明顯好于普通麻花鉆。階梯鉆更加適合于鉆削碳纖維復(fù)合材料。

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