新型刀具鉆削碳纖維復(fù)合材料的可行性研究*

楊小璠 李友生 鄢國(guó)洪 劉菊東 許志龍

(①集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021;②廈門(mén)金鷺特種合金有限公司，福建 廈門(mén) 361021)

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、抗疲勞、耐腐蝕和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天和國(guó)防等領(lǐng)域［1］。隨著CFRP 應(yīng)用量的增加，其二次加工質(zhì)量也越來(lái)越重要。由于CFRP 具有非均質(zhì)及各向異性的特點(diǎn)，層間強(qiáng)度低而碳纖維的硬度高，在機(jī)械加工過(guò)程中，特別是鉆孔過(guò)程中容易產(chǎn)生毛刺、撕裂、分層等缺陷，屬于典型的難加工材料［2］。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)CFRP 鉆孔過(guò)程中撕裂與分層缺陷的產(chǎn)生及其抑制措施展開(kāi)了廣泛研究。Tsao和Hocheng［3］揭示了撕裂和分層缺陷的形成機(jī)理，同時(shí)討論了分層缺陷與進(jìn)給速度的關(guān)系;Paulo Davim等［4］以螺旋面刃尖硬質(zhì)合金鉆頭通過(guò)不同切削參數(shù)研究了減少分層缺陷的方法，認(rèn)為合理選擇刀具參數(shù)和鉆削工藝參數(shù)可以避免分層缺陷的產(chǎn)生;鮑永杰等［5］以單層碳纖維復(fù)合材料為研究對(duì)象，采用單點(diǎn)飛切探索了撕裂缺陷的形成過(guò)程，分析了刀具類型、鉆削力、切削速度等因素對(duì)鉆孔缺陷的影響規(guī)律，并研究“以磨代鉆”新工藝鉆削CFRP 的合理性。本文分析了CFRP 鉆孔缺陷的形成機(jī)理，提出“先切后推”的新型鉆削模式，并使用本課題組研制的新型W 鉆頭進(jìn)行CFRP 的鉆削試驗(yàn)，在相同切削條件下，通過(guò)與涂層硬質(zhì)合金麻花鉆的鉆孔出口表面質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)說(shuō)明新型W 鉆頭的加工性能。

1 碳纖維復(fù)合材料鉆孔缺陷的形成機(jī)理分析與改善

碳纖維復(fù)合材料在應(yīng)用過(guò)程中往往需要與其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，連接是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空航天飛行器中60%～80%的破壞都發(fā)生在連接部位。連接中最常采用的機(jī)械連接需要先制孔，例如，一架波音747 飛機(jī)有300 多萬(wàn)個(gè)連接孔，而美國(guó)先進(jìn)的F-22 戰(zhàn)斗機(jī)每副機(jī)翼要14 000 個(gè)精孔。由于CFRP 是將一層層單向或交叉布置的碳纖維布按照一定的鋪層順序，經(jīng)過(guò)裝模、升溫、注膠、固化、后固化、開(kāi)模等工序制作而成的，其中單根碳纖維直徑一般只有幾個(gè)微米。在鉆削加工時(shí)，出孔處易出現(xiàn)毛刺、撕裂的現(xiàn)象，孔的內(nèi)部易產(chǎn)生材料分層的缺陷，給后續(xù)工藝甚至整機(jī)性能帶來(lái)不良影響［6-7］。

在航空制造領(lǐng)域中，普通麻花鉆作為一種傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)有效的刀具仍然存在于生產(chǎn)領(lǐng)域。但在CFRP 的加工方面，普通麻花鉆存在耐用度偏低、出孔質(zhì)量無(wú)法保證等瓶頸［8］。圖1 所示為普通麻花鉆鉆削CFRP 的示意圖。鉆孔時(shí)，麻花鉆的橫刃首先接觸復(fù)合材料，橫刃處的負(fù)前角切削會(huì)加大碳纖維及樹(shù)脂基體變形、斷裂的抗力，且橫刃工作時(shí)的切削速度小，對(duì)材料的擠壓和研磨作用大于切削作用，會(huì)產(chǎn)生較大的軸向鉆削力。而CFRP 為各向異性材料，厚度和水平方向力學(xué)性能相差甚遠(yuǎn)，當(dāng)?shù)度秀@削加工至最后一層纖維材料時(shí)，由于孔的出口側(cè)沒(méi)有下面材料的支撐，剛性降低，在軸向鉆削力的作用下，纖維束容易發(fā)生分散，不易被剪切斷，從而形成出孔毛刺［9］。此時(shí)毛刺一般與工件基體未發(fā)生撕裂，對(duì)工件質(zhì)量影響較小，但是需要后續(xù)的加工工序?qū)⒚倘コ?，?huì)增加加工成本。當(dāng)鉆頭刃口磨損，切削刃不夠鋒利時(shí)，如果沒(méi)有及時(shí)調(diào)整鉆削參數(shù)，會(huì)產(chǎn)生較大的軸向鉆削力［10］。在鉆削過(guò)程中，當(dāng)纖維層受到的軸向鉆削力大于復(fù)合材料纖維層與纖維層之間的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，材料內(nèi)部就容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，出孔表面容易發(fā)生撕裂現(xiàn)象，如圖2 所示。出孔時(shí)的撕裂和孔內(nèi)部的分層現(xiàn)象嚴(yán)重影響零件質(zhì)量，特別是內(nèi)部分層不容易觀察和發(fā)現(xiàn)，在零件使用過(guò)程中存在安全隱患。

針對(duì)上述分析，可以總結(jié)概括出普通麻花鉆在鉆削CFRP 時(shí)是一種“先推后切”的加工方式，即在鉆削碳纖維層時(shí)，鉆頭上的橫刃首先接觸到纖維材料，由于橫刃為負(fù)前角工作，會(huì)產(chǎn)生較大的軸向鉆削力作用在纖維層上，從而先在鉆芯處形成一個(gè)小孔，再由鉆頭的兩條直線主切削刃開(kāi)始剪切纖維，將小孔逐漸擴(kuò)大為公稱直徑要求的孔。這種“先推后切”的加工模式由于始終有較大的軸向力作用在纖維層上，非常容易造成工件出孔處的毛刺、撕裂和孔內(nèi)部分層等缺陷。為此，本文提出了一種“先切后推”的新型鉆削模式，并研制出新型W 鉆頭，如圖3 所示。使用新型W 鉆頭鉆削CFRP 時(shí)，鉆頭刃尖先接觸到復(fù)合材料，主要起定位作用，隨即W 型鉆頭外緣的W 刃尖接觸材料并開(kāi)始切削，先將被加工孔圓周的纖維層剪切斷，然后再由鉆頭的主切削刃繼續(xù)剪切碳纖維層。在W 型鉆頭出孔時(shí)，鉆尖將已剪切完成的柱狀纖維板完整推出，副切削刃對(duì)已形成的孔進(jìn)行修正，進(jìn)一步將少量毛刺切斷，形成孔最終形態(tài)，從而減少或避免工件上毛刺、撕裂、分層等缺陷的產(chǎn)生，如圖4 所示。

2 試驗(yàn)條件

切削試驗(yàn)在福裕QP2033-L 加工中心上進(jìn)行，選用TiAlCrN/TiSiN 涂層的硬質(zhì)合金麻花鉆和課題組研制的TiAlCrN/TiSiN 涂層W 型鉆頭，分別對(duì)T300 型碳纖維復(fù)合材料在相同條件下進(jìn)行孔的鉆削加工。試驗(yàn)后選用Keyence 顯微鏡(型號(hào):VHX100)觀察鉆削出口孔質(zhì)量。工件材料性能如表1 所示，鉆削加工條件如表2 所示。

表1 碳纖維復(fù)合材料性能表

表2 碳纖維復(fù)合材料的鉆削加工條件

試驗(yàn)中使用的鉆頭如圖5 所示，其中TiAlCrN/TiSiN 涂層硬質(zhì)合金麻花鉆頂角為118°，螺旋角為30°，兩種刀具直徑均為4 mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

碳纖維復(fù)合材料鉆孔時(shí)，入口側(cè)和出口側(cè)是缺陷容易發(fā)生的部位。在入口側(cè)由于材料的承載能力很強(qiáng)，缺陷相對(duì)較少，對(duì)鉆孔質(zhì)量影響不大;出口側(cè)由于剛性降低，在軸向力作用下容易向外退讓，是缺陷發(fā)生相對(duì)集中的地方。因此以出口側(cè)為觀察對(duì)象，觀察鉆削出孔的表面質(zhì)量。

圖6 所示為兩種鉆頭在相同加工條件下鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí)出口孔表面質(zhì)量的照片。從試驗(yàn)中可以看出，涂層麻花鉆在開(kāi)始鉆削CFRP 時(shí)，出口孔表面質(zhì)量還可以達(dá)到要求，但鉆削8 個(gè)孔后，出口孔表面即出現(xiàn)毛刺、輕微撕裂的加工缺陷，如圖6a 所示。這是由于加工過(guò)程中隨著鉆頭的磨損，刃口不夠鋒利，出口孔處纖維層受到的軸向鉆削力增大，導(dǎo)致纖維發(fā)散，不易被剪切斷，從而形成毛刺、輕微撕裂的加工缺陷。使用普通麻花鉆繼續(xù)加工至25 個(gè)孔時(shí)，鉆頭磨損加劇，出口孔處出現(xiàn)明顯的毛刺和撕裂缺陷，如圖6b 所示。由于鉆削過(guò)程中，作用在材料上的鉆削力可分解為軸向力和切向力，當(dāng)鉆頭磨損切削刃變鈍后，鉆削力顯著增大，在軸向力的推擠作用下，CFRP 板底層的局部材料發(fā)生層間脫粘，纖維層之間形成“張開(kāi)型”裂紋而導(dǎo)致分層，這部分分層的材料在切向力撕扯的繼續(xù)作用下發(fā)生偏移，形成“撕開(kāi)型”裂紋，兩種裂紋擴(kuò)展合并形成了最終的撕裂缺陷。觀察材料出孔處的表面形貌，可以發(fā)現(xiàn):在撕裂產(chǎn)生過(guò)程中發(fā)生的分層破壞并不是圓環(huán)狀，而是小范圍的材料脫粘導(dǎo)致的分層破壞，由此可見(jiàn)，鉆削軸向力增大是影響撕裂生成的主要因素。

使用W 型鉆頭鉆削CFRP 過(guò)程中，在加工至25個(gè)孔時(shí)，可以觀察到材料的出孔表面質(zhì)量仍良好，僅有輕微的毛刺出現(xiàn)，如圖6c 所示。由于W 型鉆頭采用“先切后推”的設(shè)計(jì)理念，從結(jié)構(gòu)上縮短了橫刃的長(zhǎng)度，只留下較短的橫刃(刃尖)在鉆削過(guò)程中起定心的作用，加工余量的去除主要由外緣鋒利的W 刀尖完成，因此鉆孔時(shí)由橫刃產(chǎn)生的軸向力比普通麻花鉆小得多，更不容易產(chǎn)生撕裂和分層的缺陷。當(dāng)W 型鉆頭鉆穿CFRP 時(shí)，最后幾層纖維材料被W 刃尖剪切斷，而鉆頭的主切削刃只是鉆尖部分在纖維層上形成一中心圓形小孔，其他部分來(lái)不及繼續(xù)切削即隨鉆尖將纖維層推出，從而形成一個(gè)圓形的碳纖維切屑板，如圖7所示。當(dāng)使用W 型鉆頭鉆削50 個(gè)孔后，工件出孔表面亦出現(xiàn)毛刺和小范圍的撕裂現(xiàn)象，如圖6d 所示。這是由于W 型鉆頭的W 刃尖非常鋒利，鉆削過(guò)程中磨損較快，當(dāng)W 刃尖過(guò)度磨損刃口不夠鋒利時(shí)，也存在普通麻花鉆相似的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致鉆削力增大，纖維絲不易被剪斷的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)普通麻花鉆鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí)出孔缺陷形成機(jī)理的分析，提出了采用“先切后推”的鉆削模式來(lái)設(shè)計(jì)新型W 鉆頭;在相同切削條件下，選擇均為T(mén)iAlCrN/TiSiN 涂層的硬質(zhì)合金麻花鉆和新型W鉆頭進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的鉆削加工對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)鉆孔出口表面質(zhì)量的分析，得出新型W 鉆頭在鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí)比普通麻花鉆具有更好的切削性能，驗(yàn)證了針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的鉆削加工采用“先切后推”切削原理的正確性，為提高碳纖維復(fù)合材料的鉆削加工質(zhì)量提供了有益的幫助。

［1］李威，郭權(quán)鋒.碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.中國(guó)光學(xué)，2011，4(3):201 -212.

［2］Abrao A M，F(xiàn)aria P E，Campos Rubio J C，et al.Drilling of fiber reinforced plastics:a review［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007(186):1 -7.

［3］Tsao C C，Hocheng H.Evaluation of thrust force and surface roughness in drilling composite material using Taguchi analysis and neural network［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008 (203):342-348.

［4］Paulo Davim J.A note on the determination of optimal cutting conditions for surface finish obtained in turning using design of experiments［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，116(2/3):305-308.

［5］鮑永杰，高航，李鳳全.電鍍金剛石鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2009(3):38 -42.

［6］Karpata Y，Degerb B，Bahtiyarb O.Drilling thick fabric woven CFRP laminates with double point angle drills［J］.Journal of Materials Processing Technology，2012，212(10):2117 -2127.

［7］于曉江，曹增強(qiáng)，蔣紅宇.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉆削工藝［J］.航空制造技術(shù)，2010(15):66 -70.

［8］牟娟，陳燕，徐九華.釬焊套料鉆鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板出口撕裂缺陷的成因分析［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2013，20(10):2699-2704.

［9］張厚江，陳五一，陳鼎昌.碳纖維復(fù)合材料(CFRP)鉆孔出口缺陷的研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40(7):150 -155.

［10］任書(shū)楠，吳丹，陳懇.鉆削碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料的主切削刃軸向力［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，53(4):487 -492.