魏良耀 程 寓

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

碳纖維復合材料（CFRP）已經發(fā)展成為繼鋁、鋼、鈦之后的第4大航空結構材料［1］。且在土木建筑、軍事工業(yè)、電子通信和體育醫(yī)療等領域有著廣泛的應用前景。

鉆孔是碳纖維復合材料構件的重要加工工序之一，連接孔的加工質量直接關系到構件間的裝配質量和壽命，通?？椎募庸盗看?。CFRP的各向異性、層間結合強度低和脆性大等性能在鉆孔時容易產生撕裂、起毛、分層等缺陷，而CFRP的高硬度、高強度及導熱性差等性能對切削刀具要求較高，屬于典型的難加工材料。研究表明鉆削軸向力與孔壁分層、出入口撕裂等缺陷有著直接關系，軸向力增大，各類孔加工缺陷也增加。因此研究軸向力的影響因素對減小軸向力，改善加工質量有很大幫助［2－4］。

目前國內外鉆削CFRP的鉆頭還是以麻花鉆為主。V．N．Gaitonde使用 K20硬質合金鉆頭鉆削CFRP，研究了切削參數對軸向力與分層的影響［5］。Tsao和HoCheng分析和預測了分層開始的臨界推力，測量不同形狀鉆頭對軸向力的影響程度［6］。趙建設、李仲平、張厚江等人研究了不同直徑的YG6X鉆頭在多種切削參數下對軸向力和制孔質量的影響［7－8］;熊國雄、于曉江等人研究了Y330類硬質合金鉆頭對軸向力及制孔質量的影響，魏威、韋紅金研究了鉆頭材料、后角、轉速及進給速度對軸向力和鉆頭磨損之間的關系［1，9－10］。

之前的報道多局限于研究主軸轉速、進給速度、被加工工件的厚度以及鉆頭形狀（麻花鉆和金剛石套料鉆）、鉆頭的磨損程度等對軸向力的影響。普通硬質合金鉆頭鉆削CFRP不僅軸向力大，鉆頭磨損嚴重，而且加工質量不穩(wěn)定。近年來各種涂層刀具的相繼出現，對加工CFRP的刀具材料的選擇提供了一種新方向。

1 鉆削軸向力的來源和破壞

從加工角度講，造成CFRP孔加工缺陷的原因主要是鉆削力和鉆削熱，但前者的作用占絕對主要成分。鉆削軸向力主要有3個來源:克服工件材料彈性變形的抗力;克服纖維斷裂和基體剪切的抗力;克服切屑對前刀面的摩擦阻力和后刀面與已加工表面之間的摩擦阻力。

鉆孔過程中，軸向力始終加載在材料表面上，產生一定的層間應力和交變應力。當應力大于材料的層間結合強度時，就會產生分層破壞?？壮隹趥茸钔鈱永w維不是立即被切斷而是在軸向力的作用下向外退讓。若主切削刃不夠鋒利，不能及時切斷纖維，則在出口處產生撕裂和起毛缺陷。軸向力越大，各類孔加工缺陷也越大。

本文主要從鉆頭材料的角度研究不同涂層對軸向力的影響。

2 試驗

2．1 鉆頭基體材料及涂層的選擇

碳纖維的硬度高達800 HV，相當于高速鋼的硬度，且CFRP的導熱性差，切削區(qū)域溫度高容易導致鉆頭發(fā)生退火，加速鉆頭磨損。提高鉆頭的耐磨性和減小鉆頭與工件間的摩擦系數，改善散熱條件都能減小軸向力，從而提高加工質量。硬質合金的耐磨性遠遠高于高速鋼，且YG類合金的強度、韌性和熱導率都高于YT類，細晶粒合金在含鈷量相同時比中晶粒合金的硬度和耐磨性要高些。本次試驗采用YG6X作基體材料。

目前常用的涂層材料主要有 TiC、TiN、TiCN、TiAlN、Al2O3和金剛石涂層。由于CFRP層合特性在加工過程中不宜使用冷卻液，多數采用干切削加工。TiAlN（3 500±500 HV）和TiCN（2 000～3 000 HV）涂層是兩種較好的適合高速干切削的涂層，且摩擦系數較小。類金剛石膜（DLC）是一種由碳元素組成的非晶態(tài)碳膜，具有高硬度，耐磨性和小摩擦系數等性能，是一種優(yōu)異的表面抗磨損改性膜很適合作耐磨涂層。因此本次試驗選擇TiAlN、TiCN和DLC作涂層材料。

2．2 試驗條件

試驗在KVC1050N加工中心上無墊板鉆削10 mm厚的高溫、固化、平紋和交織的碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料。鉆頭為奇峰工具廠生產的直徑12 mm的YG6X鉆頭、TiAlN涂層鉆頭、TiCN涂層鉆頭和SANDVIK生產的DLC涂層鉆頭。由于是干切削加工，因此在加工區(qū)域附近安裝吸塵口，及時吸走大量粉塵。軸向力測定系統(tǒng)包括YDX－Ⅲ9702壓電式傳感器，YE5850電荷放大器，A/D轉換器，數據轉換卡和計算機。鉆削軸向力測定系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2．3 鉆孔實驗方案

本次采用正交試驗設計，其因素水平設計如表1所示。

表1 正交試驗的因素水平表

3 試驗結果與分析

3．1 正交試驗的結果

軸向力的變化可分為3個階段:首先是隨著主切削刃的深入不斷增大;其次是主切削刃完全切入工件，軸向力保持穩(wěn)定狀態(tài);最后是隨著切削刃的切出而減小，直到為零。軸向力的整個變化規(guī)律如圖2所示。

正交試驗的試驗方案采用L16（45），結果如表2～4所示，FZmax是在橫刃鉆出下表面處選?。ù颂幾钊菀桩a生分層、撕裂等缺陷）。由結果可知鉆削力的變化范圍很大，最大為203 N，最小為53.5 N。

表2 正交試驗方案與結果

表3 直觀分析

表4 方差分析

3．2 正交試驗分析

因為B×C的均方小于空格的均方，被歸類到誤差中。

由直觀分析和方差分析都可得出A、B、C這3個因素的水平變動對試驗結果有顯著的影響。由kA1＞kA3＞kA2＞kA4可得出A4為A因素的優(yōu)水平。同理，可以確定B3、C1分別為B、C因素的優(yōu)水平。3個因素的優(yōu)水平組合A4B3C1為本次實驗的最優(yōu)水平組合，即最優(yōu)的工藝條件為使用DLC涂層鉆頭，主軸轉速5 500 r/min和進給速度24 mm/min。

根據極差RA＞RB＞RC和F檢驗FA＞FB＞FC可得各因素對軸向力影響的主次順序，即A＞B＞C。所以本次試驗中鉆頭材料影響最大，其次是主軸轉速，最后是進給速度。

3．3 鉆頭材料對軸向力及出口質量的影響

圖3為YG6X硬質合金鉆頭，TiALN、TiCN和DLC涂層鉆頭對軸向力的影響。

由圖3和表3可得出，TiAlN涂層鉆頭的平均軸向力比YG6X要小20．3%;TiCN涂層鉆頭的平均軸向力比YG6X的小15．4%。DLC涂層鉆頭的平均軸向力最小，比YG6X鉆頭降低47．7%。

涂層鉆頭結合了基體與涂層材料兩者的優(yōu)點。由于硬質涂層的硬度高、摩擦系素小、與工件間的親和力小，切削過程中，在很大程度上提高耐磨性、耐熱性和抗高溫氧化性，減小切削力。從表5中可以看出DLC鉆頭的加工質量最好，出口側的撕裂和起毛缺陷最小，且孔壁表面光滑，而其他鉆頭的出口表面都伴有明顯的撕裂及起毛缺陷，孔壁粗糙，有顯著的切痕。

表5 部分孔出口質量

3．4 鉆削參數對軸向力的影響

從圖4中可以得出軸向力隨著主軸轉速的提高而減小，當主軸轉速提高到一定程度時，軸向力有回升趨勢。主軸轉速提高，實際切削面積減小，軸向力減小。軸向力在6 500 r/min時回升可能有兩種原因:一是在高轉速下，機床的振動加大，導致實際切削面積也增大，必然會導致切削力的增大;另一原因是在高速下產生大量的切削熱，樹脂基體在承受200～300℃時發(fā)生軟化，軟化的樹脂粘附在鉆頭切削刃上，使切削刃變鈍，因而也會導致切削力的增大。

如圖5所示，軸向力隨著進給速度的增加而增大。進給速度增大，則每轉進給量增大，必然導致切削面積的加大，切削刃與工件的摩擦加劇，最終導致軸向力的增大。

3．5 鉆頭的磨損情況

圖6為試驗結束后主切削刃后刀面的磨損情況。

YG6X鉆頭有輕微的磨損。TiAlN和TiCN鉆頭主切削刃的后刀面有不同程度的磨粒磨損，主切削刃外緣部分的磨損最為嚴重:一是因為外緣拐點處涂層與基體的結合力最為薄弱，二是拐點處切削速度和溫度最高，切削環(huán)境最為惡劣，受硬質點的摩擦最為劇烈。DLC鉆頭基本沒有出現磨損，充分體現出DLC鉆頭的優(yōu)異切削性能。

4 結語

（1）本次試驗中涂層材料對軸向力的影響最大，主軸轉速和進給速度對試驗結果有顯著影響。

（2）使用涂層鉆頭可有效減小軸向力。與YG6X鉆頭的鉆削軸向力相比:TiAlN涂層鉆頭減小20．3%;TiCN涂層鉆頭減小15．4%;DLC鉆頭減小47．7%，加工質量最優(yōu)。

（3）軸向力隨著主軸轉速的增加先減小后增大，隨著進給速度的增加而增大。

（4）YG6X鉆頭、TiAlN和TiCN涂層鉆頭都有不同程度的磨損，DLC鉆頭的耐磨性遠遠高于其它鉆頭。

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