吳碧金 楊小璠 李友生

(①集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門(mén)36102;②廈門(mén)金鷺特種合金有限公司，福建 廈門(mén)361006)

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、小膨脹系數(shù)、良好的耐熱性和吸振性能，是一種綜合性能很好的復(fù)合材料，在航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域己有廣泛的應(yīng)用。在復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用中，需要大量的二次機(jī)械加工，尤其是在復(fù)合材料的零件與其他零部件裝配連接時(shí)，不可避免地要進(jìn)行大量孔加工。但是碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能呈各向異性，層間強(qiáng)度低，鉆孔加工時(shí)存在易產(chǎn)生缺陷、刀具磨損嚴(yán)重、加工效率低下、環(huán)境污染嚴(yán)重等諸多問(wèn)題，是典型的難加工材料［1-3］。碳纖維復(fù)合材料在鉆孔加工時(shí)極易產(chǎn)生毛刺、撕裂、分層等缺陷，鉆孔時(shí)刀具對(duì)材料的作用力是促使被加工孔產(chǎn)生變形和缺陷的最主要原因。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和研究也發(fā)現(xiàn)了復(fù)合材料鉆孔時(shí)產(chǎn)生的缺陷與鉆削力密切相關(guān)，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(guò)優(yōu)選鉆頭的材料、優(yōu)化刀具幾何參數(shù)和選擇合適的進(jìn)給速度、進(jìn)給量、鉆頭轉(zhuǎn)速，以減小鉆削力，提高孔加工質(zhì)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(duì)碳纖維復(fù)合材料鉆孔質(zhì)量的研究。本文以碳纖維復(fù)合材料孔加工的專(zhuān)用鉆頭——金剛石涂層匕首鉆為研究對(duì)象，并與普通鉆頭——硬質(zhì)合金麻花鉆頭進(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)鉆頭切削刃的磨削、刀具使用壽命和鉆孔入出口質(zhì)量等方面進(jìn)行分析比較。

1 碳纖維復(fù)合材料專(zhuān)用鉆頭簡(jiǎn)介

普通硬質(zhì)合金麻花型鉆頭在鉆尖處存在橫刃，實(shí)際上在鉆孔時(shí)橫刃不產(chǎn)生切削作用，但橫刃卻是軸向力的主要來(lái)源，同時(shí)也是鉆孔過(guò)程中熱量的主要產(chǎn)生部位［2］，是鉆孔過(guò)程中導(dǎo)致孔產(chǎn)生缺陷的一個(gè)主要因素。針對(duì)普通鉆頭的結(jié)構(gòu)缺陷，廈門(mén)金鷺特種合金有限公司研發(fā)了一種碳纖維復(fù)合材料專(zhuān)用鉆頭——金剛石涂層匕首鉆，這是一種直刃型的鉆、鉸復(fù)合鉆，由鉆頭切削部分、導(dǎo)向部分和鉸刀切削校準(zhǔn)部分組成，其螺旋角為90°。專(zhuān)用鉆頭照片如圖1所示。由于匕首鉆在鉆尖處沒(méi)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(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)參數(shù)

以碳纖維復(fù)合材料板(外購(gòu)，板厚t=7.8 mm)作為被加工件，在數(shù)控機(jī)床上(機(jī)床參數(shù)見(jiàn)表1)分別用普通硬質(zhì)合金麻花鉆頭和碳纖維復(fù)合材料專(zhuān)用鉆頭——金剛石涂層匕首鉆進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，刀具規(guī)格均為φ6 mm×26 mm，刀具形狀如圖1所示。

表1 機(jī)床參數(shù)

由于鉆頭的直徑、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度都會(huì)對(duì)孔加工質(zhì)量產(chǎn)生較大影響［8］，為了使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，本實(shí)驗(yàn)選擇的刀具規(guī)格相同，切削參數(shù)也一致。具體切削參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 切削參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

分別對(duì)普通鉆頭和專(zhuān)用鉆頭鉆孔后的切削刃磨損量和鉆出孔的直徑和形狀進(jìn)行照相測(cè)量，測(cè)量?jī)x器采用影像儀KEYENCE，其型號(hào)規(guī)格為VHX100。

3.1 刀具磨損對(duì)比

普通鉆頭和專(zhuān)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(guò)程中，其主切削刃快速磨損，當(dāng)鉆孔數(shù)量達(dá)到100個(gè)時(shí)，主切削刃的磨損量已經(jīng)達(dá)到40μm;而專(zhuān)用鉆頭在剛開(kāi)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(dá)到穩(wěn)定磨損階段，隨著鉆孔數(shù)量的增加，主切削刃的磨損量略微增大，當(dāng)鉆孔數(shù)量達(dá)到100個(gè)時(shí)，主切削刃的磨損量約為23μm;當(dāng)鉆孔數(shù)量達(dá)到220個(gè)時(shí)，主切削刃的磨損量?jī)H約為26μm。普通鉆頭和專(zhuān)用鉆頭的副切削刃磨損量變化曲線如圖3所示。專(zhuān)用鉆頭在前60個(gè)孔加工過(guò)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(dá)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(zhì)合金刀具，在切削過(guò)程中，刀面與工件之間在極大的壓力下劇烈摩擦，瞬時(shí)產(chǎn)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(zhuān)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(yīng)力，同時(shí)還起到固體潤(rùn)滑劑的作用，減小了切削摩擦及切屑對(duì)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(xué)穩(wěn)定性和較小的摩擦系數(shù)，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(zhǎng)。

3.2 鉆孔質(zhì)量對(duì)比

碳纖維復(fù)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(duì)比

對(duì)比普通鉆頭的鉆孔孔徑變化曲線(圖4)和專(zhuān)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(zhuān)用鉆頭鉆出孔的直徑總體上呈逐漸減小趨勢(shì)。在前100個(gè)孔中，普通鉆頭孔徑的誤差范圍為-0.04～-0.01 mm;在前400個(gè)孔中，專(zhuān)用鉆頭孔徑的誤差范圍為-0.005～+0.02 mm。專(zhuān)用鉆頭鉆出孔的直徑變動(dòng)范圍較小，尺寸誤差也更小。這主要是由于專(zhuān)用鉆頭是集鉆、鉸于一體的復(fù)合鉆，鉆頭的導(dǎo)向部分和鉸刀切削校準(zhǔn)部分可以保證孔加工的尺寸精度和表面質(zhì)量。

(2)鉆孔入出口質(zhì)量對(duì)比

圖6a、b分別為普通鉆頭鉆削第5個(gè)孔和第30個(gè)孔的入出口照片;圖6c、d、e分別為專(zhuān)用鉆頭鉆削第5個(gè)孔、第30個(gè)孔和第200個(gè)孔的入出口照片。對(duì)比這5組照片，可以清楚看出:普通鉆頭在鉆削第5個(gè)孔時(shí)，入口處就開(kāi)始出現(xiàn)崩裂，出口處出現(xiàn)明顯的撕裂和毛邊。而專(zhuān)用鉆頭在鉆削第30個(gè)孔時(shí)，入出口開(kāi)始出現(xiàn)輕微崩裂和毛邊。由于匕首鉆在鉆尖處沒(méi)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(jié)語(yǔ)

本文就碳纖維復(fù)合材料專(zhuān)用鉆頭——金剛石涂層匕首鉆在碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工時(shí)進(jìn)行了刀具磨損和鉆孔效果的試驗(yàn)研究，并與普通鉆頭進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論:

(1)專(zhuān)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(zhǎng)。

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

因此金剛石涂層匕首鉆更適合于碳纖維復(fù)合材料的加工。

［1］胡寶剛，楊志翔，楊哲.復(fù)合材料后加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.宇航材料工藝，2000，30(5):24-27.

［2］Tsao C C.Effect of pilot hole on thrust force by saw drill［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007(47):2172-2176.

［3］Tsao C C，Hocheng H.Evaluation of thrust force and surface roughness in drilling composite material using Taguchi analysis and neural network［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008(203):342-348.

［4］Hocheng H，Tsao C C.Effects of special drillbits on drilling induced delamination of composite materials［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46(12/13):1403-1416.

［5］Jin Z J，BaoY J，Gao H.Disfigurement formation and control in drilling carbon fibre reinforced composites［J］.International Journal of Materials and Product Technology，2008，31(1):46-53.

［6］Karnik SR，Gaitonde V N.Delamination analysis in high speed drilling of carbon fiber reinforced plastics using artificial neural network model［J］.Materials and Design，2008，29(9):1768-1776.

［7］張厚江，陳五一，陳鼎昌.纖維復(fù)合材料(CFRP)鉆孔出口缺陷的研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40(7):150-156.