中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司 孫忠海 翟 南 郭志濤

碳纖維增強復合材料（CFRP）的高比強度、高比模量等優(yōu)點使其可以在航天航空業(yè)大幅度減輕機體結(jié)構(gòu)質(zhì)量、改善氣動彈性，提高飛機的綜合性能，因此，先進復合材料在航天航空業(yè)上的應用不斷得到擴大[1]。碳纖維的高硬度、高強度及導熱性差等特點使其成為典型的難加工材料。CFRP鉆孔過程中，刀具磨損嚴重。刀具磨損會造成鉆孔質(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，磨損過快將導致刀具報廢，影響加工效率、提高經(jīng)濟成本，使批量加工CFRP成為難題。

目前，國內(nèi)外學者對CFRP的鉆孔加工過程中刀具的磨損進行研究，從而得到結(jié)論：大連理工大學的高航、劉國興等[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個階段，磨損形態(tài)與軸向力相關(guān)；南京航天航空大學的賀虎[3]使用金剛石套料鉆鉆削CFRP，通過對比軸向力和磨損值得出，套料鉆更適合鉆削CFRP；武漢設計研究院的張毅等[4]采用超聲波振動銑削CFRP研究刀具磨損，得出超聲振動條件下，刀具磨損較弱，刀具的使用壽命高，相對于傳統(tǒng)切削更適合復合材料的加工；法國的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，建立了進給速度、切削速度、刀具磨損值和軸向力之間的數(shù)學模型。

鉆削加工中，切削刃的鋒利性隨著切削力、高溫和滑動磨損的改變而改變，刀具磨損依賴于刀具類型、加工材料、切削條件和潤滑劑的選擇。隨著加工時間的延長，刀具的切削刃越來越鈍，工件的加工質(zhì)量也嚴重下降。許多學者證實了切削力是反應加工狀況的高度敏感的信息載體，所以測量切削力是間接測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價刀具磨損和失效[6-9]。目前，國內(nèi)外普遍使用PCD刀具作為加工CFRP的主流刀具，但是PCD刀具的價格較高，韌性較低，在加工超硬材料時容易產(chǎn)生崩刃。本文通過PCD刀具及硬質(zhì)合金刀具鉆孔CFRP時刀具磨損、加工質(zhì)量的對比說明刀具性能。

1 鉆削試驗

1.1 試驗材料和試驗設備

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

試驗材料為環(huán)氧樹脂基碳纖維增強復合材料，以平紋交織形式鋪層，碳纖維體積分數(shù)為60%，厚度為10mm，其具體性能如表1。

表1 碳纖維增強復合材料性能

1.2 試驗刀具及方法

試驗選用2種鉆頭（φ12mm整體硬質(zhì)合金麻花鉆、φ12mm PCD麻花鉆）進行單因素試驗來比較鉆削時間、鉆削軸向力及后刀面磨損值VB的關(guān)系。試驗參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速2000r/min、進給速度40mm/min。每3個孔測量一次軸向力及VB值。

2 試驗數(shù)據(jù)及分析

硬質(zhì)合金鉆頭YG6X試驗結(jié)果如表2所示。由于PCD鉆頭的耐磨性遠高于YG6X，在鉆削開始階段，VB值過小不宜測量，故從第17個孔開始測量其后刀面磨損值VB和軸向力，并適當放寬測量孔數(shù)間隔，試驗結(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)系對比圖如圖1～3所示。

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

圖3 VB值對軸向力的影響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說明軸向力隨著VB值的增大而增加。工業(yè)中，刀具的磨鈍標準為0.6[10]。但從圖2、3中可以發(fā)現(xiàn)，加工第9個到第12個孔之間，軸向力的變化趨勢趨于平緩，達到了正常磨損階段，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，因此磨損速度相對變慢，切削過程比較穩(wěn)定，是刀具的有效工作階段；而加工第12個孔時，即當后刀面的磨損值VB達到0.12時，達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更加明顯，軸向力達到177N，因此工業(yè)中加工CFRP材料時，對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)。當磨損值達到一定數(shù)值時，即切削熱和切削摩擦力也達到一定臨界點，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)生了嚴重的磨粒磨損，CFRP中的碳纖維硬度很高，在切削過程中硬質(zhì)點不停磨損刀具后刀面，對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。磨粒磨損最嚴重處為后刀面主切削刃的外緣處。相同時間內(nèi)，切削刃外緣的切削行程最長，所受到的沖擊力、摩擦力及摩擦熱也最為嚴重，切削條件最為惡劣。CFRP中的碳纖維作為硬質(zhì)點并不是均勻分布在材料之中，切削過程相當于斷續(xù)切削，刀刃處承受持續(xù)的交變載荷，由于硬質(zhì)合金本身的抗彎強度和韌性較差，所以在承受交變應力的過程中，容易產(chǎn)生崩刃。

切削刃后刀面的粘附磨損，類似于切削金屬時的積屑瘤。在切削CFRP的過程中，刀具和CFRP的導熱性差，熱量無法及時散出，加工溫度持續(xù)升高，使CFRP中的樹脂軟化，切削過程中的持續(xù)接觸應力，使刀具和材料產(chǎn)生分子級別間的接觸，在接觸點形成強力的粘著，且粘著物不會隨著持續(xù)切削脫落，嚴重影響后刀面的切削能力。

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，可以得出，PCD鉆頭鉆削CFRP材料時，仍然符合隨著鉆孔數(shù)量即加工時間的增加，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刀片在切削過程中持續(xù)承受交變載荷和熱作用，致使PCD刀片產(chǎn)生機械疲勞和熱疲勞，導致PCD表層材料的粘結(jié)晶粒之間產(chǎn)生微裂紋，進而使金剛石顆粒之間的連接狀態(tài)惡化，晶界強度降低，刀具抗磨能力下降。隨著切削時間的增加，金剛石顆粒周圍的粘結(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刀片的導熱性強于高速鋼基體，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鉆頭的上升趨勢較YG6X緩慢，由此說明PCD鉆頭更適于加工CFRP。

（2）YG6X在鉆削過程中會產(chǎn)生磨粒磨損、粘著磨損及崩刃，這主要是刀具導熱性差，較脆且強度不夠造成的；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，對切削性能影響不大，故PCD鉆頭更適合加工CFRP。

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

[1] 上官倩芡，蔡泖華. 碳纖維及其復合材料的發(fā)展及應用. 上海師范大學學報，2008，37(3)：275-278.

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

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

[4] 張毅.超聲振動銑削碳纖維復合材料刀具磨損研究.精密制造與自動化，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.

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