劉 洋，李鵬南，陳明，唐思文，楊 進

（湖南科技大學1.機電工程學院；2.機械設備健康維護省重點實驗室，湘潭 411201）

0 引 言

碳纖維復合材料（CFRP）主要是指碳纖維增強聚合物基復合材料和碳纖維增強碳基復合材料，具有高模量﹑高強度等特點，廣泛應用于航空航天﹑軍工等領域［1］。

在碳纖維復合材料的切削加工中，鉆削是使用最多、應用最廣的加工方式，同時也是航空結構件裝配的重要環(huán)節(jié)［2］。但在傳統(tǒng)鉆削加工常用的硬質合金麻花鉆頭鉆削碳纖維復合材料時，會出現(xiàn)鉆頭耐用度偏低﹑質量無法保證等問題［3］。在鉆削過程中，最先與碳纖維復合材料接觸的是硬質合金麻花鉆頭的橫刃，橫刃為負前角切削，產生的鉆削力占總鉆削力的40%～60%，橫刃增大則鉆削力隨之增大［4］。鉆削力和鉆削溫度是影響制孔質量的重要因素［5］，降低鉆削力和鉆削溫度可以有效地減少孔兩端的毛刺與撕裂、內壁分層、燒傷等損傷［6］。金剛石涂層鉆頭是性能優(yōu)良的鉆頭，但目前尚缺乏對硬質合金麻花鉆頭與金剛石涂層鉆頭鉆削碳纖維復合材料時軸向力和鉆削溫度的對比分析，以及鉆削軸向力對制孔質量的影響分析，而且國內對鉆削碳纖維復合材料時鉆削溫度的研究很少。為此，作者采用金剛石涂層鉆頭和硬質合金麻花鉆頭分別對碳纖維復合材料進行了鉆削試驗，對兩種鉆頭在鉆削過程中的鉆削軸向力和鉆削溫度進行了對比分析，并研究了鉆削軸向力對制孔質量的影響。

1 試樣制備與試驗方法

以單向T800碳纖維復合板為試驗材料，其基體材料是X850型樹脂，鋪層形式為［±45／0／－45／0／45／0／45／0／－45／0／－45／0／45／90／45／0／－45／0／0／－45／90／45／0］，試樣尺寸為200mm×300mm×9.12mm，碳纖維體積分數為65%。

采用牌號為YG6X的整體硬質合金麻花鉆頭和牌號為854的金剛石涂層鉆頭進行鉆削試驗，其直徑都為6mm，都是2刃鉆頭。相對于硬質合金麻花鉆頭，金剛石涂層鉆頭的切削刃更為鋒利，其鉆尖是特殊的三鉆尖，外緣轉點有加尖，是具有優(yōu)化鉆尖角的鉆頭，特殊的鉆尖結構確保了很好的定心性。表1為試驗所用刀具的幾何參數。

表1 兩種刀具的幾何參數Tab.1 Geometric parameters of two cutting tools

高速鉆削試驗在KV800型數控床身銑床上進行，鉆削軸向力測試系統(tǒng)由kistler 9253B23型三向壓電式測力儀、5080型電荷放大器、PCIMDAS1602／16型數據采集卡和切削力采集軟件DynoWare構成，如圖1所示。由于碳纖維復合材料的切屑是有毒粉塵，故選擇干切削加工方式，并在鉆削區(qū)域附近安裝吸塵口。

圖1 鉆削軸向力測試系統(tǒng)Fig.1 The testing system of drilling axial force

采用預埋K型熱電偶的方式測不同切削區(qū)域的溫度。由于鉆削碳纖維復合材料時最高溫度出現(xiàn)在板材厚度一半偏下的位置［7］，因此先在試樣合適位置鉆兩排共計32個φ1mm×6mm的埋絲孔用來預埋熱電偶，熱電偶的埋入深度為距出口表面約3mm；高速鉆削試驗后，試樣的鉆孔和埋絲孔的孔間距為0.25mm左右，如圖2所示。鉆削過程中熱電偶測得的最高溫度為鉆削溫度。

圖2 測溫埋絲孔示意Fig.2 Schematic diagram of temperature－testing buried wire holes

鉆削試驗進給速度（vf）分別為40，55，70，85，100mm·min－1，主軸轉速（n）分別為6000，8000，10000，12000r·min－1；每個參數下進行兩次平行試驗取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 鉆頭主軸轉速、進給速度與鉆削力的關系

鉆削軸向力是影響鉆削加工最重要的參數之一，其值的大小是影響制孔質量的重要因素，是孔兩端產生撕裂和毛刺的主要原因［8］。試驗所用兩種鉆頭的鉆削軸向力隨時間變化的規(guī)律基本相似。由圖3可見，鉆削軸向力（Fz）隨著鉆頭接觸碳纖維復合材料面積的增大逐漸增加，當主切削刃完全進入碳纖維復合材料中時達到最大。最大軸向力持續(xù)時間由材料的厚度和進給速度決定。當鉆頭鉆尖鉆出碳纖維復合材料時，隨著未切削材料減少，鉆削力迅速降低。

圖3 硬質合金麻花鉆鉆削軸向力隨時間變化關系曲線（n＝10000r·min－1，vf＝70mm·min－1）Fig.3 Drilling axial force vs time curve of carbide twist drill

由圖4可見，在硬質合金麻花鉆頭和金剛石涂層鉆頭鉆削T800碳纖維復合材料時，主軸轉速、進給速度與鉆削軸向力都基本成線性關系；主軸轉速不變，隨著進給速度的增加，單位時間鉆頭的切削深度增加，鉆削軸向力增大；進給速度不變，隨著主軸轉速的增加，每轉的切削厚度減少，鉆頭和后刀面的摩擦力減小，軸向力減小。當主軸轉速為6000r·min－1，進給速度由40mm·min－1增加到100mm·min－1時，硬質合金麻花鉆頭鉆削軸向力最大波動為70N，而金剛石涂層鉆頭鉆削軸向力最大波動為23N。這是由于金剛石涂層鉆頭特殊的鉆尖結構確保了良好的定心性，因此在改變加工參數時其加工性能更加穩(wěn)定。

圖4 兩種鉆頭主軸轉速、進給速度與鉆削軸向力的關系Fig.4 Relationship between rotational speed，feed rate and axial force of carbide twist drill（a）and diamond coated drill（b）

由圖5可見，在加工參數相同的條件下，金剛石涂層鉆頭的鉆削軸向力均比硬質合金麻花鉆頭的小，這是由兩種鉆頭不同的幾何角度及結構造成的；當進給速度為100mm·min－1時，在轉速6000，8000，10000，12000r·min－1下金剛石涂層鉆頭的鉆削軸向力比硬質合金麻花鉆頭的分別減小了39%，39%，40%，45%。從降低鉆削軸向力的角度可見金剛石涂層鉆頭的加工性能更優(yōu)。

圖5 硬質合金麻花鉆頭和金剛石涂層鉆頭的鉆削軸向力對比Fig.5 Comparison between drilling axial forces of carbide twist drill and diamond coated drill

2.2 鉆頭主軸轉速、進給速度與鉆削溫度的關系

在鉆削加工碳纖維復合材料的過程中產生的溫度對制孔質量、刀具壽命、積屑瘤等都有很大的影響，溫度越高碳纖維復合材料的力學性能下降就越快［9］。試驗所用兩種鉆頭鉆削過程中的溫度變化曲線基本相似。由圖6可見，金剛石涂層鉆頭在鉆削碳纖維復合材料的過程中，隨著鉆頭的鉆入深度持續(xù)上升，其鉆削溫度呈現(xiàn)先升后降的變化規(guī)律。這是因為碳纖維復合材料的導熱性差，切削熱不易擴散出去，隨著鉆孔深度的增加，熱量聚集的越多，溫度越來越高。

圖6 金剛石涂層鉆頭鉆削過程中溫度變化曲線（n＝12000r·min－1，vf＝85mm·min－1）Fig.6 Temperature change curve in the drilling process of diamond coated drill

由圖7（a）可見，硬質合金麻花鉆頭鉆削碳纖維復合材料時，在相同的進給速度下，鉆削溫度隨著主軸轉速的增大而升高。這是因為單位時間內切削量成比例地增大，摩擦產生熱增大，切屑帶走的熱量也增大，但摩擦產生的熱量遠遠大于切屑帶走的。在同樣的轉速下，隨著進給速度增大，鉆削溫度呈現(xiàn)降低的趨勢。碳纖維復合材料鉆削溫度是一個累積的過程，進給速度越大，鉆頭停留在材料中的時間越短，鉆頭越快與空氣接觸，導致鉆削溫度降低。

圖7 兩種鉆頭的主軸轉速、進給速度與鉆削溫度的關系Fig.7 Relationship between rotational speed，feed rate and drilling temperature of carbide twist drill（a）and diamond coated drill（b）

由圖7（b）可見，金剛石涂層鉆頭鉆削碳纖維復合材料時，在相同的主軸轉速下進給速度的改變對鉆削溫度的影響很小，除了在8000r·min－1時最大溫度差達到40℃，在其他主軸轉速下最大溫度差都在20℃以內。在相同的進給速度下金剛石涂層鉆頭的鉆削溫度隨轉速的增加而降低，這是因為金剛石涂層鉆頭具有特殊的“三尖結構”和獨特鋒利的刃口，并且金剛石涂層的摩擦因數較低，當轉速增大時，其邊上兩個尖刃和刀刃易切斷碳纖維復合材料，摩擦生熱較小，因此鉆削溫度降低。

由圖8可見，在相同的加工參數下，金剛石涂層鉆頭的鉆削溫度明顯低于硬質合金麻花鉆頭的。這是因為金剛石涂層鉆頭結合了基體硬質合金的高強度、高韌性和金剛石涂層的高硬度、小摩擦因數、良好的導熱性等特點，使其在鉆削碳纖維復合材料的過程中，產生的摩擦熱小且散出去的熱量增加，使得鉆削溫度大幅度降低。在進給速度為55mm·min－1，主軸轉速分別為6000，8000，10000，12000r·min－1時，硬質合金麻花鉆頭鉆削碳纖維復合材料時的鉆削溫度比金剛石涂層鉆頭的分別高了17%，36%，47%，77%。金剛石涂層鉆頭在主軸轉速12000r·min－1，進給速度100mm·min－1時的鉆削溫度為73℃，滿足加工鉆削溫度的要求，而此時的鉆削軸向力為63N?？梢娊饎偸繉鱼@頭在高主軸轉速、高進給速度下能提高加工效率，且鉆削溫度和鉆削軸向力都能滿足加工要求。

圖8 兩種鉆頭鉆削溫度對比Fig.8 Comparison of the drilling temperatures between two drills

2.3 制孔缺陷

碳纖維復合材料制孔缺陷主要出現(xiàn)在孔的出口端，其形成原因是由于橫刃鉆出時，出口端的最表層纖維沒有束縛，其承載力比較低，在鉆削軸向力的作用下材料有一定程度的凸起，導致最表層的材料出現(xiàn)明顯的毛刺、撕裂現(xiàn)象［10］。由表2，3可見，用金剛石涂層鉆頭加工出的孔，其端口表面質量明顯好于用硬質合金麻花鉆頭加工的；出口端的毛刺、撕裂呈現(xiàn)一定的區(qū)域性和規(guī)律性，以鉆頭主切削刃的速度方向為正方向，毛刺、撕裂主要出現(xiàn)在纖維鋪設方向和切削方向夾角為鈍角的區(qū)域。

鉆削軸向力是影響孔加工質量的重要因素，由圖4可見高轉速、低進給速度的鉆削軸向力最小，則孔加工的質量也應是最好的。然而采用硬質合金麻花鉆頭鉆削時，由孔的出口端形貌可發(fā)現(xiàn)在進給速度為40mm·min－1時，主軸轉速為12000r·min－1下加工孔的質量比主軸轉速為6000r·min－1的還差。其主要原因是鉆削碳纖維復合材料時隨著鉆孔數量的增加硬質合金鉆頭磨損加劇，刀刃鈍化嚴重。采用金剛石涂層鉆頭鉆削時孔的質量與軸向力的影響效果一致，在高轉速、低進給速度下孔的出口端質量是最好的。由于金剛石涂層鉆頭的加工性能好，在鉆削碳纖維復合材料時鉆頭的磨損很小且能保持鋒利的切削刃。綜上所述，鉆削軸向力是影響孔出口端質量的重要因素，但鉆頭的磨損和刀刃鈍化程度也同樣是影響孔出口端質量的重要因素。在鉆頭正常的磨損階段，高轉速、低進給速度能有效地提高孔的加工質量。

表2 硬質合金麻花鉆頭不同參數下鉆孔的出口端形貌Tab.2 Exit morphology of holes drilled by carbide twist drill under different process parameters

表3 金剛石涂層鉆頭在不同參數下鉆孔的出口端形貌Tab.3 Exit morphology of holes drilled by diamond coated drill under different process parameters

3 結 論

（1）鉆削碳纖維復合材料時鉆削軸向力隨主軸轉速的增大而減小，隨進給速度的增加而增大；在相同的加工參數下，金剛石涂層鉆頭鉆削碳纖維復合材料的鉆削軸向力比硬質合金鉆頭的小40%；從降低鉆削軸向力的角度分析，高轉速、低進給速度能有效地提高孔的加工質量。

（2）在相同的加工參數下，金剛石涂層鉆頭鉆削碳纖維復合材料時的鉆削溫度比硬質合金麻花鉆頭鉆削時的低17%，當進給速度不變時，硬質合金麻花鉆頭鉆削溫度隨主軸轉速的增加而增大，金剛石涂層鉆頭鉆削溫度隨主軸轉速的增大而降低，且進給速度對金剛石涂層鉆頭鉆削溫度的影響較小，金剛石涂層鉆頭能有效地提高鉆削加工效率。

（3）金剛石涂層鉆頭在鉆削碳纖維復合材料時，孔的出口端表面質量明顯好于硬質合金麻花鉆頭鉆削的；金剛石涂層鉆頭的鉆削性能更好，更適合碳纖維復合材料的制孔加工。

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