王賢鋒

摘 要：碳纖維復合材料（CFRP）與金屬材料構(gòu)成的性能差異的疊層構(gòu)件在飛機中應(yīng)用廣泛，鉆削是復合材料/合金疊層構(gòu)件制造過程中工作量最繁重的機械加工工序之一。隨著飛機自動制孔技術(shù)的發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是要求在裝配過程中采用一道工序同時高效加工碳纖維復合材料和鈦合金以及鋁合金等完全不同性質(zhì)的材料。

關(guān)鍵詞：復合材料/合金疊層；刀具；涂層；自動制孔

中圖分類號：TH145；TB30l 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0035-02

輕量化、高比強度、高比模量、性能可剪裁、耐腐蝕、耐輻射等優(yōu)勢讓碳纖維增強復合材料（CFRP）成為航空結(jié)構(gòu)材料的主要發(fā)展方向[1]。CFRP已經(jīng)逐步替代傳統(tǒng)的鋁合金、高強度鋼等金屬材料成為主要的航空結(jié)構(gòu)件材料[2]。美國波音公司B787是世界上第一架采用復合材料機翼和機身的大型客機，空客公司A350XWB寬體客機和B787一起以機身和機翼均實現(xiàn)復合材料化成為目前世界上最先進的大型民用客機。復合材料已成為現(xiàn)代飛機重要的結(jié)構(gòu)材料。飛機裝配越來越多地存在金屬材料（鈦合金、鋁合金等）和復合材料混合疊層結(jié)構(gòu)的孔加工。[3]

1 復合材料/合金疊層構(gòu)件鉆削特點

碳纖維復合材料的碳纖維質(zhì)點硬度非常高，其HRC =53～65，相當于高速鋼的硬度，因此鉆頭的磨損非常嚴重，刀具的壽命非常短[4-5]。用高速鋼麻花鉆鉆削碳纖維復合材料時，每個鉆頭只能加工2～3個孔，耗刀量非常大。碳纖維復合材料的切屑為粉末狀，而這些高硬質(zhì)點粉末狀的碳纖維顆粒在鉆削過程中不斷對鉆頭刃口進行磨削作用，使刀具刃口瞬間鈍化，刀具耐用度急劇下降。因此，碳纖維復合材料切削加工普遍存在著刀具壽命過短，消耗量大的現(xiàn)象，如圖1所示。

鈦合金的硬度大于HB350時切削加工特別困難，小于HB300時則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個方面，關(guān)鍵在于鈦合金本身化學、物理、力學性能間的綜合對其切削加工性的影響。變形系數(shù)小，切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大增大，加速刀具磨損。切削溫度高，由于鈦合金的導熱系數(shù)很?。ㄖ幌喈斢?5#鋼的1/5～1/7），切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時產(chǎn)生的熱不易傳出，集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內(nèi)，切削溫度很高。單位面積上的切削力大。主切削力比切鋼時約小20%，由于切屑與前刀面的接觸長度極短，單位接觸面積上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同時，由于鈦合金的彈性模量小，加工時在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損并影響零件的精度。冷硬現(xiàn)象嚴重。由于鈦的化學活性大，在高的切削溫度下，很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。

目前，復合材料制孔存在著多種的疊層形式，最常見的疊層構(gòu)件形式有復合材料/復合材料疊層、復合材料/鈦合金疊層、復合材料和鋁合金疊層。復合材料/復合材料疊層需解決復合材料制孔過程中孔出口撕裂和起毛、孔壁周圍材料發(fā)生分層等缺陷，可采用鉆鉸一體刀進行。復合材料/鈦合金疊層是兩種切削機理完全不同的難加工材料，其對工藝參數(shù)和刀具要求都不盡相同。在鈦合金鉆削過程中，存在著切削力大，消耗功率高，切削溫度高等特點，對于大的連接孔，一次鉆削成型往往難以實現(xiàn)，往往需采用變參數(shù)的工藝方法結(jié)合“鉆-擴-鉸”的工序過程來實現(xiàn)。復合材料/鋁合金疊層需特別注意鋁合金毛刺的產(chǎn)生以及鋁屑對復合材料孔壁的刮傷。

2 復合材料/合金疊層構(gòu)件制孔方式

飛機復合材料/合金疊層構(gòu)件制孔方式主要有手工制孔、AUU半自動制孔和自動制孔。對于手工制孔，刀具應(yīng)采用無涂層的硬質(zhì)合金刀具，同時要特別注意擴孔和鉸孔余量。對于ADU半自動制孔，主要用于飛機大厚度大直徑開敞性不好的位置制孔，但是因ADU設(shè)備參數(shù)一般不可調(diào)，對刀具的選擇提出了新的挑戰(zhàn)。對于自動制孔，刀具應(yīng)選用鉆锪一體刀以實現(xiàn)“鉆-擴-鉸-锪”一次性制孔，同時刀具必須滿足長壽命的要求，一般因采用金剛石涂層刀具或PCD刀具。

綜上，CFRP高比強度、高比模量的材料性能對制孔刀具耐磨性提出了較高要求，而CFRP各向異性對制孔刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。高性能CFRP專用制孔刀具必須從刀具結(jié)構(gòu)和刀具表面處理兩個方面進行刀具設(shè)計和制備。為了提高CFRP制孔刀具的耐磨性，提升刀具壽命，需綜合考慮刀具、工藝過程、制孔方式等，同時金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具已成為解決CFRP專用刀具磨損及刀具壽命短的關(guān)鍵技術(shù)。

3 制孔刀具材料及涂層

3.1 制孔刀具材料

鑒于纖維增強復合材料的難加工特性，用于其加工的鉆頭材料必須具有很好的抗磨損性能。一方面，復合材料中的纖維一般都具有高硬度的特性，在鉆削過程中充當磨粒的作用，因而，相比于普通金屬材料的切削加工，復合材料鉆削更易導致鉆頭的磨損；大量研究證實，在鉆削加工纖維增強復合材料中，后刀面的磨粒磨損是鉆頭最主要的磨損形式[6-7]。另一方面，磨鈍后的切削刃會導致復合材料在鉆削過程中的分層、纖維抽出等制孔缺陷迅速增多，并使鉆削軸向力增大、鉆削溫度上升[8]。因此，鉆頭材料應(yīng)該選擇抗磨損性能較好的高硬度材料，如硬質(zhì)合金、聚晶金剛石（Polycrystalline diamond，簡稱PCD）材料等。

圖2給出了在不同的切削速度下（進給量f=0.22mm/rev），采用不同磨損狀況的鉆頭加工CFRP時對鉆削軸向力的影響。從圖中可以看出，在切削速度一定時，鉆削軸向力隨著刀具的磨損量的增大而增大；隨著切削速度的提高，刀具的磨損對鉆削軸向力的影響越來越顯著。Kim和Ramulu通過對比試驗研究發(fā)現(xiàn)，在鉆削CFRP/Ti疊層材料時，高速鋼鉆頭比硬質(zhì)合金鉆頭磨損更快[9]。而且采用高速鋼鉆頭加工時，標準麻花鉆與專用鉆頭差別并不大。

目前，用于加工復合材料的鉆頭材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金和聚晶金剛石（Polycrystalline diamond，簡稱PCD）三種材料。陶瓷材料因其抗機械和熱沖擊性能較差不適合用于加工復合材料。高速鋼鉆頭因其耐磨性太差、硬度太低等而很少采用。雖然PCD鉆頭具有更長的刀具耐用度，然而PCD材料價格昂貴，限制了其更廣泛的應(yīng)用。相比之下，硬質(zhì)合金鉆頭以其硬度高、耐磨性好以及更好的經(jīng)濟性獲得了更為廣泛的應(yīng)用。

涂層對鉆頭加工性能的影響

3.2 刀具涂層

為改善刀具切削性能，刀具通常需要進行涂層。用于刀具涂層的材料主要有基于鈦元素的涂層（TiC、TiN、TiCN、TiAlN、TiAlON等）、金剛石涂層、以MoS2或CW+C作為外層的自潤滑涂層等[15]。

涂層方法主要有化學氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）和物理氣相沉積法（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD）兩種方法，但無論是CVD還是PVD都是為了在涂層和基體材料之間建立一個牢固的連接。針對某一種基體，與該基體的粘附力是選擇涂層材料最重要的標準。另外，硬度、熱傳導性等也是選擇涂層材料的標準之一。

對于纖維增強復合材料的切削加工，最好的涂層材料是金剛石涂層材料。一方面，金剛石的高硬度使其具有優(yōu)于其他任何材料的的抗磨料磨損性能。另一方面，金剛石涂層可以獲得更加鋒利的切削刃使其對復合材料的加工質(zhì)量能夠穩(wěn)定在一個非常高的水平。另外，一些涂層供應(yīng)商的經(jīng)驗顯示鈷含量在10%以下的細晶硬質(zhì)合金與金剛石的附著效果最好。

4 結(jié)語

纖維增強復合材料的鉆削加工仍將是21世紀的極富挑戰(zhàn)性的工作。關(guān)于專用鉆頭的設(shè)計、刀具材料和涂層材料的開發(fā)等將對鉆削加工復合材料的進步具有重要意義。本文綜述了復合材料/合金疊層構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，加工的幾種方式，加工的特點，及所用的鉆頭材料、涂層的選擇，以期為刀具選擇和設(shè)計提供有益的指導。

參考文獻

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