新型碳纖維復(fù)合材料孔加工刀具

1、新型碳纖維復(fù)合材料孔加工刀具 電 鍍金剛石復(fù)合鉆1前言碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（簡稱 CFRP ）具有比強(qiáng)度高、比模量高、 減振性好等優(yōu)點(diǎn)，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(kuò) 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(shí)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(shí)，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。

2、據(jù)介紹， 在 AV-8B 飛機(jī)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(jī) 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?yàn)椋海?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(jī)械性能在不同方向各不相同， 材料沿纖維鋪層方向強(qiáng)度 較高，而垂直于纖維鋪層方向的強(qiáng)度則取決于樹脂粘結(jié)強(qiáng)度， 一般情 況下，層間結(jié)合強(qiáng)度僅為纖維方向強(qiáng)度的 22。（2）鉆孔加工時(shí)， 存在垂直于纖維鋪層方向的軸向力 Fz,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(qiáng)度， 則會出現(xiàn)樹脂斷裂、 纖維層分層或劈

3、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(gè)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(shí)，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(jì)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

4、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。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(diǎn)，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(shí)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(qiáng)度。由于金剛石鉆頭鉆削時(shí)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(shí)CFRP纖維斷裂變形小，

5、從而減輕了分層、劈裂程度。設(shè)計(jì)金剛石鉆頭時(shí)要注意以下幾點(diǎn):(1) 基體錐頂角宜選用50°60°如頂角太小，鉆削時(shí)間將延 長，工件易燒傷；如頂角過大，貝嶺占削軸向力增大，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(yàn)試驗(yàn)用機(jī)床為 W62X型萬能銑床。試驗(yàn)時(shí)，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(yùn)動，風(fēng)鉆作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。試驗(yàn)參數(shù)：n = 12000r /min , f= 0

6、. 005mm /r。試驗(yàn)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Fz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。由上表可看出，用電鍍金剛石復(fù)合鉆頭鉆削 CFRP時(shí)，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(yàn)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。5結(jié)論電鍍金剛石復(fù)合鉆頭是一種新型孔加工