碳纖維復合材料鉆削加工對比試驗

碳纖維復合材料（CFRP）比強度和比剛度高，具有可設計性、可成形性強，抗疲勞斷裂性能好以及便于大面積整體成形等特性。因此，CFRP在飛機制造業(yè)中應用越來越廣泛，如法國戰(zhàn)機“陣風”CFRP用量約為24%、英國戰(zhàn)機“臺風”（EP2000）CFRP用量約為40%。而近年來CFRP在B787上的用量甚至占到結構總量的50%左右[1]。隨著復合材料應用的日益廣泛，二次機械加工越來越多，尤其是在碳纖維增強復合材料的零件與其他零部件裝配連接時，不可避免地要進行大量孔加工。例如，一架F-16戰(zhàn)斗機有4萬個連接孔，一架波音747飛機有300多萬個連接孔[2]。但是，碳纖維的高硬度，使刀具磨損加快，刀具耐用度低；另外，CFRP各向異性，層間強度低，切削時在切削力的作用下容易產生分層、撕裂等缺陷，并且鉆孔時尤其嚴重，加工質量難以保證，嚴重的甚至導致零件報廢。據(jù)飛機在最后組裝時的統(tǒng)計，鉆孔不合格率要占全部報廢零件的60%以上[3]。在鉆削加工中，硬質合金麻花鉆頭作為一種傳統(tǒng)的、經濟有效的刀具仍然存在于生產領域。但在新型材料加工方面，硬質合金麻花鉆頭存在著耐用度偏低、出入口質量無法保證等瓶頸[1]。臺灣學者C.C.Tsao 等[4-5]提出了使用金剛石刀具進行鉆孔，將金剛石刀具引入復合材料加工中，以期提高刀具壽命，并獲得更好的孔質量。而用釬焊方法將金剛石磨粒固結在金屬基體上，能大幅度改善和提高磨料界面結合強度，使金剛石刀具具有高耐磨性[6]。本文以CFRP材料為研究對象，使用釬焊金剛石套料鉆和硬質合金麻花鉆進行鉆削加工試驗，并對比2種鉆頭加工孔的質量和鉆頭磨損形貌，目的在于探討釬焊金剛石套料鉆加工CFRP材料的適用性。

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試驗方案

試驗所用的CFRP 材料，其基體材料是AG-80型樹脂，增強體是T300型碳纖維，板厚3.6mm。刀具為釬焊金剛石套料鉆和整體硬質合金麻花鉆，其中，釬焊金剛石套料鉆是自行研制的，其結構如圖1所示。刀具由刀柄、刀體、長孔、鉆頭、槽口構成，其中基體材料為45鋼。為了便于取出廢料，在刀體側壁上開了一長孔；為方便排屑，防止切屑聚集堵塞，在鉆頭頂部開了4個槽口。鉆頭部分，金剛石粒度為40/45目（425~355μm）, 有序排列在基體上，鉆頭外徑為6mm，壁厚1.1mm。金剛石與基體材料是利用高溫釬焊工藝實現(xiàn)結合，即采用Ag-Cu-Ti 釬料，在真空爐中釬焊，釬焊溫度920℃，保溫5min。

鉆削加工參數(shù)如表1所示。每組參數(shù)重復試驗3次，對鉆削力取平均值。 copyright 123456



鉆削試驗平臺包括機床（HG410數(shù)控雕銑機床）、測力儀、墊板、夾具、計算機等。HG410 數(shù)控雕銑機床，可實現(xiàn)自動進給高速鉆削，最低轉速3000r/min，最高轉速24000r/min。測力系統(tǒng)由PCB260A01測力儀、NIUSB-9162數(shù)據(jù)采集卡以及“切削加工測試與分析系統(tǒng)”軟件組成。孔的出入口形貌和鉆頭磨損形貌均采用Hirox KH-7700三維視頻顯微鏡進行觀察。



試驗結果與分析

1 孔出入口質量

碳纖維復合材料鉆孔時，在入口以及出口處是缺陷最容易發(fā)生的部位[7]。試驗中分別采用硬質合金麻花鉆和釬焊金剛石套料鉆進行加工CFRP層合板，對比2種刀具加工孔的出入口質量，探討了釬焊金剛石套料鉆鉆削CFRP材料的適用性。 123456

圖2為硬質合金麻花鉆加工孔的入口和出口形貌。如圖2所示，入口形狀規(guī)則、無毛刺，但出現(xiàn)較大撕裂缺陷，質量較差；出口形狀規(guī)則，無毛刺，但出現(xiàn)小范圍崩邊，質量較好。圖3為釬焊金剛石套料鉆加工孔的入口和出口形貌。如圖3所示，入口形狀非常規(guī)則、無毛刺、無撕裂，質量較優(yōu)；出口形狀規(guī)則、無毛刺，但部分區(qū)域出現(xiàn)撕裂和崩邊缺陷，質量較差。



對比分析發(fā)現(xiàn)，釬焊金剛石套料鉆加工孔的入口質量明顯比硬質合金麻花鉆好，但出口質量不如后者。入口處，由于釬焊金剛石套料鉆的金剛石磨粒切削刃很短，在磨粒同時切入材料的時候，產生的面外剪切應力較小，不易使纖維層被掀起而產生撕裂缺陷；而硬質合金麻花鉆切削刃較長，當鉆頭切入材料時，主切削刃外側正前角部分對表層材料有一較大的面外剪切應力，導致表層材料被掀起從而產生撕裂現(xiàn)象；但在出口處，由于釬焊金剛石套料鉆從鉆入層合板到鉆出層合板，其鉆削力是從零急速增加到最大，保持穩(wěn)定后，急速降為零。因此在鉆削底層纖維時，材料抵抗拉應力變形的能力很弱，而鉆削力并未減小，大于此時材料的層間強度，故容易產生撕裂缺陷。對于硬質合金麻花鉆，其切削刃較長，在出口處參與切削的切削刃長度逐漸減小，鉆削力也逐漸變小，因此會產生相反的效果。

圖4為不同進給速度vf下硬質合金麻花鉆加工孔的入口形貌圖。從圖4（a）~（c），進給速度分別為300mm/min、240mm/min及150mm/min，孔入口形貌分別為出現(xiàn)較大撕裂、有崩邊無撕裂、無缺陷。由此可見，硬質合金麻花鉆加工CFRP 時，進給速度240mm/min 為一個臨界值，當進給速度大于該值時，將會出現(xiàn)撕裂缺陷；當進給速度小于該值時，無撕裂產生，得到好的孔入口質量。



圖5 為不同進給速度vf 下釬焊金剛石套料鉆加工孔的出口形貌圖。從圖5（a）~（c），進給速度分別為480mm/min、360mm/min 及300mm/min，孔入口形貌分別為出現(xiàn)較大撕裂、有崩邊無撕裂、無缺陷。如圖5所示，釬焊金剛石套料鉆加工CFRP時，臨界進給速度為360mm/min。



綜上所述，釬焊金剛石套料鉆加工孔的出入口出現(xiàn)撕裂缺陷的臨界進給速度比硬質合金麻花鉆大。因此，在保證孔質量的前提下，釬焊金剛石套料鉆具有更高的加工效率。

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2 鉆頭磨損

CFRP材料難加工特性之一就是刀具磨損嚴重，刀具耐用度低。圖6為硬質合金麻花鉆磨損前后的形貌圖。從圖中可以明顯看到，硬質合金麻花鉆的前刀面出現(xiàn)嚴重的崩刃和磨損。另外，主切削刃和副切削刃及橫刃都出現(xiàn)不同程度的磨損和崩刃。圖7為釬焊金剛石套料鉆磨損前后的形貌。如圖7（b）所示，鉆頭上的金剛石磨粒均未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，只是鉆頭斷面內側倒角處的釬料被磨掉很多。這是因為試驗所用釬焊金剛石套料鉆是利用高溫釬焊工藝使金剛石與基體材料實現(xiàn)結合的，由于此高溫釬焊技術實現(xiàn)了金剛石、釬料和金屬基體界面上的化學冶金結合[8]， 因此該鉆頭上的金剛石磨粒具有高結合強度和耐磨性。


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硬質合金麻花鉆的耐磨性較差，使用壽命較短。而釬焊金剛石套料鉆的耐磨性較強，使用壽命較長，是加工CFRP 材料良好刀具。

結束語

（1）釬焊金剛石套料鉆加工孔的入口質量比出口質量好，硬質合金麻花鉆入口質量比出口質量差。釬焊金剛石套料鉆加工孔出現(xiàn)撕裂缺陷的臨界進給速度比硬質合金麻花鉆大。因而，釬焊金剛石套料鉆具有更高的加工效率。

（2）釬焊金剛石套料鉆比硬質合金麻花鉆具有更強的耐磨性，是加工CFRP材料的良好刀具。本文共有參考文獻8篇，因篇幅所限，未能一一列出，讀者如有需要，請向本刊編輯部索取。（責編　嶺霧）