新型碳纖維復(fù)合材料孔加工刀具——電鍍金剛石復(fù)合鉆

　　碳纖維增強復(fù)合材料（簡稱CFRP）具有比強度高、比模量高、減振性好等優(yōu)點，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在汽車、醫(yī)療器械、體育器械等行業(yè)的應(yīng)用也日益增多。隨著CFRP應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，解決CFRP的高精度、高效加工問題也日益迫切。為此，筆者開發(fā)了一種新型孔加工刀具——電鍍金剛石復(fù)合鉆，可有效解決普通麻花鉆加工CFRP時出現(xiàn)的分層和劈裂問題，并可使鉆頭壽命顯著提高。

　　2．CFRP鉆孔缺陷及改進(jìn)措施

　　一般情況下，在CFRP板材上鉆孔加工時，容易產(chǎn)生分層、劈裂、燒傷等缺陷，其中尤以分層、劈裂對加工質(zhì)量影響最大。據(jù)介紹，在AV-8B飛機的制造中，由于CFRP鉆孔分層、劈裂導(dǎo)致的零件不合格率占全機CFRP零件不合格率的60％以上^［1］。

　　出現(xiàn)分層、劈裂現(xiàn)象的主要原因為：（1）CFRP疊層板由碳纖維層鋪疊而成，層與層之間用樹脂粘結(jié)。由于CFRP是一種各向異性材料，其機械性能在不同方向各不相同，材料沿纖維鋪層方向強度較高，而垂直于纖維鋪層方向的強度則取決于樹脂粘結(jié)強度，一般情況下，層間結(jié)合強度僅為纖維方向強度的2．2％。（2）鉆孔加工時，存在垂直于纖維鋪層方向的軸向力F_z，從而在疊層板內(nèi)產(chǎn)生正應(yīng)力，當(dāng)切削力產(chǎn)生的正應(yīng)力超過樹脂結(jié)合強度，則會出現(xiàn)樹脂斷裂、纖維層分層或劈裂等現(xiàn)象，軸向力越大，分層、劈裂現(xiàn)象越嚴(yán)重。

　　因此，解決分層、劈裂問題的一個有效途徑是減小鉆削軸向力。在鉆削加工中，軸向力主要受鉆削參數(shù)、刀具材料和鉆型等因素影響。

　　在研制電鍍金剛石復(fù)合鉆時，為提高鉆削效率和刀具壽命，選擇了適宜的刀具材料，設(shè)計了新型鉆頭結(jié)構(gòu)，并綜合考慮了鉆削參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響。

　　3．電鍍金剛石復(fù)合鉆

　　圖1所示為新研制的電鍍金剛石復(fù)合鉆。鉆頭基體材料為45鋼，直徑?7．8mm（工件孔徑?8．0mm），鉆頭錐頂角50°，鉆頭錐體部分鍍有粒度為80^＃的金剛石，錐體部分開有兩條對稱螺旋狀的分屑槽，起容屑、排屑作用，可避免切屑堵塞、燒傷工件。復(fù)合鉆的前部有一導(dǎo)孔鉆（材料為Y330），其直徑約為加工孔徑的1／3，外伸長度可根據(jù)CFRP板材的厚度加以調(diào)整。導(dǎo)孔鉆起預(yù)鉆孔作用，以避免鉆芯處因切削速度為零而導(dǎo)致切削條件惡化。小直徑導(dǎo)孔鉆也會產(chǎn)生微小切削缺陷，但由于其直徑范圍小于最終孔徑，可在金剛石鉆頭鉆削過程中被切除。

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1．定位螺栓　2．鉆頭基體　3．分屑槽

　　4．金剛石鉆頭　5．導(dǎo)孔鉆

圖1　電鍍金剛石復(fù)合鉆（照片）

　　金剛石刀具具有刀尖鋒利、多刃切削、耐磨性優(yōu)異等優(yōu)點，因此十分適宜于難加工材料的切削加工。如前所述，造成CFRP鉆削時分層、劈裂的主要原因是鉆削軸向力在加工表面形成的正應(yīng)力超過了CFRP的層間結(jié)合強度。由于金剛石鉆頭鉆削時為多刃切削，軸向力被分散，加工表面所受正應(yīng)力也顯著下降。此外，由于鉆尖鋒利，鉆削時CFRP纖維斷裂變形小，從而減輕了分層、劈裂程度。

　　設(shè)計金剛石鉆頭時要注意以下幾點：

　　（1）基體錐頂角宜選用50°～60°。如頂角太小，鉆削時間將延長，工件易燒傷；如頂角過大，則鉆削軸向力增大，工件易分層、劈裂。

　�。�2）導(dǎo)孔鉆直徑不宜過大，一般取工件孔徑的1／3。直徑太大將加重分層和劈裂。

　�。�3）應(yīng)根據(jù)工件的加工要求選擇金剛砂粒度。粒度粗，生產(chǎn)率高，刀具壽命長，切屑不易堵塞，但表面粗糙度較大；粒度細(xì)，則相反。

　　4．鉆削試驗

　　試驗用機床為W62X型萬能銑床。試驗時，將手風(fēng)鉆固定在銑床立銑頭上，由銑床工作臺提供進(jìn)給運動，風(fēng)鉆作旋轉(zhuǎn)運動。

　　試驗參數(shù)：n＝12000r／min，f＝0．005mm／r。

　　試驗用鉆頭：1^＃：直徑?8mm電鍍金剛石復(fù)合鉆頭；2^＃：直徑?8mm普通硬質(zhì)合金鉆頭。

　　用1^＃鉆頭和2^＃鉆頭在上述條件下鉆削厚度為4mm的CFRP板。鉆削過程中的軸向力F_z和扭矩M如表1所示。加工后的孔壁表面斷面金相顯微照片見圖2。

鉆削過程中的軸向力和扭矩表

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（a）金剛石復(fù)合鉆頭

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（b）普通硬質(zhì)合金鉆頭

圖2　孔壁金相顯微照片

　　由上表可看出，用電鍍金剛石復(fù)合鉆頭鉆削CFRP時，軸向力和扭矩均較小，分別約為普通硬質(zhì)合金鉆頭的30％和70％，因此孔加工質(zhì)量明顯提高。從圖2可以看出，用1^＃鉆頭加工的工件表面無分層、劈裂現(xiàn)象，而2^＃鉆頭加工的工件表面則有明顯的分層、劈裂現(xiàn)象。圖3為已加工孔入口出口處的照片。鉆削試驗結(jié)果表明，在高速、低進(jìn)給的切削條件下，用電鍍金剛石復(fù)合鉆頭鉆削CFRP板材可獲得非常理想的加工表面。

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（a）金剛石復(fù)合鉆頭　　（b）普通硬質(zhì)合金鉆頭

圖3　加工后孔入口出口處照片

　　5．結(jié)論

　　電鍍金剛石復(fù)合鉆頭是一種新型孔加工刀具，與其它類型的金剛石刀具相比，其制造工藝簡單，刀具成本低；由于具有刀尖鋒利、多刃切削等優(yōu)點，該鉆頭在高速、低進(jìn)給條件下鉆削CFRP板材時，基本無分層、劈裂現(xiàn)象，可明顯提高生產(chǎn)率。