碳纖維復(fù)合材料（CFRP）比強(qiáng)度和比剛度高，具有可設(shè)計(jì)性、可成形性強(qiáng)，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(jī)制造業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，如法國戰(zhàn)機(jī)“陣風(fēng)”CFRP用量約為24%、英國戰(zhàn)機(jī)“臺風(fēng)”（EP2000）CFRP用量約為40%。而近年來CFRP在B787上的用量甚至占到結(jié)構(gòu)總量的50%左右[1]。隨著復(fù)合材料應(yīng)用的日益廣泛，二次機(jī)械加工越來越多，尤其是在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的零件與其他零部件裝配連接時，不可避免地要進(jìn)行大量孔加工。例如，一架F-16戰(zhàn)斗機(jī)有4萬個連接孔，一架波音747飛機(jī)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(qiáng)度低，切削時在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，并且鉆孔時尤其嚴(yán)重，加工質(zhì)量難以保證，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致零件報(bào)廢。據(jù)飛機(jī)在最后組裝時的統(tǒng)計(jì)，鉆孔不合格率要占全部報(bào)廢零件的60%以上[3]。在鉆削加工中，硬質(zhì)合金麻花鉆頭作為一種傳統(tǒng)的、經(jīng)濟(jì)有效的刀具仍然存在于生產(chǎn)領(lǐng)域。但在新型材料加工方面，硬質(zhì)合金麻花鉆頭存在著耐用度偏低、出入口質(zhì)量無法保證等瓶頸[1]。臺灣學(xué)者C.C.Tsao 等[4-5]提出了使用金剛石刀具進(jìn)行鉆孔，將金剛石刀具引入復(fù)合材料加工中，以期提高刀具壽命，并獲得更好的孔質(zhì)量。而用釬焊方法將金剛石磨粒固結(jié)在金屬基體上，能大幅度改善和提高磨料界面結(jié)合強(qiáng)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(zhì)合金麻花鉆進(jìn)行鉆削加工試驗(yàn)，并對比2種鉆頭加工孔的質(zhì)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(yàn)方案

試驗(yàn)所用的CFRP 材料，其基體材料是AG-80型樹脂，增強(qiáng)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(zhì)合金麻花鉆，其中，釬焊金剛石套料鉆是自行研制的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。刀具由刀柄、刀體、長孔、鉆頭、槽口構(gòu)成，其中基體材料為45鋼。為了便于取出廢料，在刀體側(cè)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(shí)現(xiàn)結(jié)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(fù)試驗(yàn)3次，對鉆削力取平均值。 copyright 123456



鉆削試驗(yàn)平臺包括機(jī)床（HG410數(shù)控雕銑機(jī)床）、測力儀、墊板、夾具、計(jì)算機(jī)等。HG410 數(shù)控雕銑機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)給高速鉆削，最低轉(zhuǎn)速3000r/min，最高轉(zhuǎn)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(jìn)行觀察。



試驗(yàn)結(jié)果與分析

1 孔出入口質(zhì)量

碳纖維復(fù)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(yàn)中分別采用硬質(zhì)合金麻花鉆和釬焊金剛石套料鉆進(jìn)行加工CFRP層合板，對比2種刀具加工孔的出入口質(zhì)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(zhì)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(zhì)量較差；出口形狀規(guī)則，無毛刺，但出現(xiàn)小范圍崩邊，質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量明顯比硬質(zhì)合金麻花鉆好，但出口質(zhì)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(chǎn)生的面外剪切應(yīng)力較小，不易使纖維層被掀起而產(chǎn)生撕裂缺陷；而硬質(zhì)合金麻花鉆切削刃較長，當(dāng)鉆頭切入材料時，主切削刃外側(cè)正前角部分對表層材料有一較大的面外剪切應(yīng)力，導(dǎo)致表層材料被掀起從而產(chǎn)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(yīng)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(qiáng)度，故容易產(chǎn)生撕裂缺陷。對于硬質(zhì)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(chǎn)生相反的效果。

圖4為不同進(jìn)給速度vf下硬質(zhì)合金麻花鉆加工孔的入口形貌圖。從圖4（a）~（c），進(jìn)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(zhì)合金麻花鉆加工CFRP 時，進(jìn)給速度240mm/min 為一個臨界值，當(dāng)進(jìn)給速度大于該值時，將會出現(xiàn)撕裂缺陷；當(dāng)進(jìn)給速度小于該值時，無撕裂產(chǎn)生，得到好的孔入口質(zhì)量。



圖5 為不同進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)給速度比硬質(zhì)合金麻花鉆大。因此，在保證孔質(zhì)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(yán)重，刀具耐用度低。圖6為硬質(zhì)合金麻花鉆磨損前后的形貌圖。從圖中可以明顯看到，硬質(zhì)合金麻花鉆的前刀面出現(xiàn)嚴(yán)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(nèi)側(cè)倒角處的釬料被磨掉很多。這是因?yàn)樵囼?yàn)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(shí)現(xiàn)結(jié)合的，由于此高溫釬焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金剛石、釬料和金屬基體界面上的化學(xué)冶金結(jié)合[8]， 因此該鉆頭上的金剛石磨粒具有高結(jié)合強(qiáng)度和耐磨性。


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硬質(zhì)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(qiáng)，使用壽命較長，是加工CFRP 材料良好刀具。

結(jié)束語

（1）釬焊金剛石套料鉆加工孔的入口質(zhì)量比出口質(zhì)量好，硬質(zhì)合金麻花鉆入口質(zhì)量比出口質(zhì)量差。釬焊金剛石套料鉆加工孔出現(xiàn)撕裂缺陷的臨界進(jìn)給速度比硬質(zhì)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(zhì)合金麻花鉆具有更強(qiáng)的耐磨性，是加工CFRP材料的良好刀具。本文共有參考文獻(xiàn)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(zé)編　嶺霧）