兩種鉆頭高速鉆削碳纖維復(fù)合材料時的鉆削力與鉆削溫度對比

劉 洋，李鵬南，陳明，唐思文，楊 進

（湖南科技大學(xué)1.機電工程學(xué)院；2.機械設(shè)備健康維護省重點實驗室，湘潭 411201）

0 引 言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）主要是指碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料和碳纖維增強碳基復(fù)合材料，具有高模量﹑高強度等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天﹑軍工等領(lǐng)域［1］。

在碳纖維復(fù)合材料的切削加工中，鉆削是使用最多、應(yīng)用最廣的加工方式，同時也是航空結(jié)構(gòu)件裝配的重要環(huán)節(jié)［2］。但在傳統(tǒng)鉆削加工常用的硬質(zhì)合金麻花鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料時，會出現(xiàn)鉆頭耐用度偏低﹑質(zhì)量無法保證等問題［3］。在鉆削過程中，最先與碳纖維復(fù)合材料接觸的是硬質(zhì)合金麻花鉆頭的橫刃，橫刃為負前角切削，產(chǎn)生的鉆削力占總鉆削力的40%～60%，橫刃增大則鉆削力隨之增大［4］。鉆削力和鉆削溫度是影響制孔質(zhì)量的重要因素［5］，降低鉆削力和鉆削溫度可以有效地減少孔兩端的毛刺與撕裂、內(nèi)壁分層、燒傷等損傷［6］。金剛石涂層鉆頭是性能優(yōu)良的鉆頭，但目前尚缺乏對硬質(zhì)合金麻花鉆頭與金剛石涂層鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料時軸向力和鉆削溫度的對比分析，以及鉆削軸向力對制孔質(zhì)量的影響分析，而且國內(nèi)對鉆削碳纖維復(fù)合材料時鉆削溫度的研究很少。為此，作者采用金剛石涂層鉆頭和硬質(zhì)合金麻花鉆頭分別對碳纖維復(fù)合材料進行了鉆削試驗，對兩種鉆頭在鉆削過程中的鉆削軸向力和鉆削溫度進行了對比分析，并研究了鉆削軸向力對制孔質(zhì)量的影響。

1 試樣制備與試驗方法

以單向T800碳纖維復(fù)合板為試驗材料，其基體材料是X850型樹脂，鋪層形式為［±45／0／－45／0／45／0／45／0／－45／0／－45／0／45／90／45／0／－45／0／0／－45／90／45／0］，試樣尺寸為200mm×300mm×9.12mm，碳纖維體積分數(shù)為65%。

采用牌號為YG6X的整體硬質(zhì)合金麻花鉆頭和牌號為854的金剛石涂層鉆頭進行鉆削試驗，其直徑都為6mm，都是2刃鉆頭。相對于硬質(zhì)合金麻花鉆頭，金剛石涂層鉆頭的切削刃更為鋒利，其鉆尖是特殊的三鉆尖，外緣轉(zhuǎn)點有加尖，是具有優(yōu)化鉆尖角的鉆頭，特殊的鉆尖結(jié)構(gòu)確保了很好的定心性。表1為試驗所用刀具的幾何參數(shù)。

表1 兩種刀具的幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of two cutting tools

高速鉆削試驗在KV800型數(shù)控床身銑床上進行，鉆削軸向力測試系統(tǒng)由kistler 9253B23型三向壓電式測力儀、5080型電荷放大器、PCIMDAS1602／16型數(shù)據(jù)采集卡和切削力采集軟件DynoWare構(gòu)成，如圖1所示。由于碳纖維復(fù)合材料的切屑是有毒粉塵，故選擇干切削加工方式，并在鉆削區(qū)域附近安裝吸塵口。

圖1 鉆削軸向力測試系統(tǒng)Fig.1 The testing system of drilling axial force

采用預(yù)埋K型熱電偶的方式測不同切削區(qū)域的溫度。由于鉆削碳纖維復(fù)合材料時最高溫度出現(xiàn)在板材厚度一半偏下的位置［7］，因此先在試樣合適位置鉆兩排共計32個φ1mm×6mm的埋絲孔用來預(yù)埋熱電偶，熱電偶的埋入深度為距出口表面約3mm；高速鉆削試驗后，試樣的鉆孔和埋絲孔的孔間距為0.25mm左右，如圖2所示。鉆削過程中熱電偶測得的最高溫度為鉆削溫度。

圖2 測溫埋絲孔示意Fig.2 Schematic diagram of temperature－testing buried wire holes

鉆削試驗進給速度（vf）分別為40，55，70，85，100mm·min－1，主軸轉(zhuǎn)速（n）分別為6000，8000，10000，12000r·min－1；每個參數(shù)下進行兩次平行試驗取平均值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、進給速度與鉆削力的關(guān)系

鉆削軸向力是影響鉆削加工最重要的參數(shù)之一，其值的大小是影響制孔質(zhì)量的重要因素，是孔兩端產(chǎn)生撕裂和毛刺的主要原因［8］。試驗所用兩種鉆頭的鉆削軸向力隨時間變化的規(guī)律基本相似。由圖3可見，鉆削軸向力（Fz）隨著鉆頭接觸碳纖維復(fù)合材料面積的增大逐漸增加，當(dāng)主切削刃完全進入碳纖維復(fù)合材料中時達到最大。最大軸向力持續(xù)時間由材料的厚度和進給速度決定。當(dāng)鉆頭鉆尖鉆出碳纖維復(fù)合材料時，隨著未切削材料減少，鉆削力迅速降低。

圖3 硬質(zhì)合金麻花鉆鉆削軸向力隨時間變化關(guān)系曲線（n＝10000r·min－1，vf＝70mm·min－1）Fig.3 Drilling axial force vs time curve of carbide twist drill

由圖4可見，在硬質(zhì)合金麻花鉆頭和金剛石涂層鉆頭鉆削T800碳纖維復(fù)合材料時，主軸轉(zhuǎn)速、進給速度與鉆削軸向力都基本成線性關(guān)系；主軸轉(zhuǎn)速不變，隨著進給速度的增加，單位時間鉆頭的切削深度增加，鉆削軸向力增大；進給速度不變，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，每轉(zhuǎn)的切削厚度減少，鉆頭和后刀面的摩擦力減小，軸向力減小。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為6000r·min－1，進給速度由40mm·min－1增加到100mm·min－1時，硬質(zhì)合金麻花鉆頭鉆削軸向力最大波動為70N，而金剛石涂層鉆頭鉆削軸向力最大波動為23N。這是由于金剛石涂層鉆頭特殊的鉆尖結(jié)構(gòu)確保了良好的定心性，因此在改變加工參數(shù)時其加工性能更加穩(wěn)定。

圖4 兩種鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、進給速度與鉆削軸向力的關(guān)系Fig.4 Relationship between rotational speed，feed rate and axial force of carbide twist drill（a）and diamond coated drill（b）

由圖5可見，在加工參數(shù)相同的條件下，金剛石涂層鉆頭的鉆削軸向力均比硬質(zhì)合金麻花鉆頭的小，這是由兩種鉆頭不同的幾何角度及結(jié)構(gòu)造成的；當(dāng)進給速度為100mm·min－1時，在轉(zhuǎn)速6000，8000，10000，12000r·min－1下金剛石涂層鉆頭的鉆削軸向力比硬質(zhì)合金麻花鉆頭的分別減小了39%，39%，40%，45%。從降低鉆削軸向力的角度可見金剛石涂層鉆頭的加工性能更優(yōu)。

圖5 硬質(zhì)合金麻花鉆頭和金剛石涂層鉆頭的鉆削軸向力對比Fig.5 Comparison between drilling axial forces of carbide twist drill and diamond coated drill

2.2 鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、進給速度與鉆削溫度的關(guān)系

在鉆削加工碳纖維復(fù)合材料的過程中產(chǎn)生的溫度對制孔質(zhì)量、刀具壽命、積屑瘤等都有很大的影響，溫度越高碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能下降就越快［9］。試驗所用兩種鉆頭鉆削過程中的溫度變化曲線基本相似。由圖6可見，金剛石涂層鉆頭在鉆削碳纖維復(fù)合材料的過程中，隨著鉆頭的鉆入深度持續(xù)上升，其鉆削溫度呈現(xiàn)先升后降的變化規(guī)律。這是因為碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱性差，切削熱不易擴散出去，隨著鉆孔深度的增加，熱量聚集的越多，溫度越來越高。

圖6 金剛石涂層鉆頭鉆削過程中溫度變化曲線（n＝12000r·min－1，vf＝85mm·min－1）Fig.6 Temperature change curve in the drilling process of diamond coated drill

由圖7（a）可見，硬質(zhì)合金麻花鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料時，在相同的進給速度下，鉆削溫度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而升高。這是因為單位時間內(nèi)切削量成比例地增大，摩擦產(chǎn)生熱增大，切屑帶走的熱量也增大，但摩擦產(chǎn)生的熱量遠遠大于切屑帶走的。在同樣的轉(zhuǎn)速下，隨著進給速度增大，鉆削溫度呈現(xiàn)降低的趨勢。碳纖維復(fù)合材料鉆削溫度是一個累積的過程，進給速度越大，鉆頭停留在材料中的時間越短，鉆頭越快與空氣接觸，導(dǎo)致鉆削溫度降低。

圖7 兩種鉆頭的主軸轉(zhuǎn)速、進給速度與鉆削溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between rotational speed，feed rate and drilling temperature of carbide twist drill（a）and diamond coated drill（b）

由圖7（b）可見，金剛石涂層鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料時，在相同的主軸轉(zhuǎn)速下進給速度的改變對鉆削溫度的影響很小，除了在8000r·min－1時最大溫度差達到40℃，在其他主軸轉(zhuǎn)速下最大溫度差都在20℃以內(nèi)。在相同的進給速度下金剛石涂層鉆頭的鉆削溫度隨轉(zhuǎn)速的增加而降低，這是因為金剛石涂層鉆頭具有特殊的“三尖結(jié)構(gòu)”和獨特鋒利的刃口，并且金剛石涂層的摩擦因數(shù)較低，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時，其邊上兩個尖刃和刀刃易切斷碳纖維復(fù)合材料，摩擦生熱較小，因此鉆削溫度降低。

由圖8可見，在相同的加工參數(shù)下，金剛石涂層鉆頭的鉆削溫度明顯低于硬質(zhì)合金麻花鉆頭的。這是因為金剛石涂層鉆頭結(jié)合了基體硬質(zhì)合金的高強度、高韌性和金剛石涂層的高硬度、小摩擦因數(shù)、良好的導(dǎo)熱性等特點，使其在鉆削碳纖維復(fù)合材料的過程中，產(chǎn)生的摩擦熱小且散出去的熱量增加，使得鉆削溫度大幅度降低。在進給速度為55mm·min－1，主軸轉(zhuǎn)速分別為6000，8000，10000，12000r·min－1時，硬質(zhì)合金麻花鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料時的鉆削溫度比金剛石涂層鉆頭的分別高了17%，36%，47%，77%。金剛石涂層鉆頭在主軸轉(zhuǎn)速12000r·min－1，進給速度100mm·min－1時的鉆削溫度為73℃，滿足加工鉆削溫度的要求，而此時的鉆削軸向力為63N?？梢娊饎偸繉鱼@頭在高主軸轉(zhuǎn)速、高進給速度下能提高加工效率，且鉆削溫度和鉆削軸向力都能滿足加工要求。

圖8 兩種鉆頭鉆削溫度對比Fig.8 Comparison of the drilling temperatures between two drills

2.3 制孔缺陷

碳纖維復(fù)合材料制孔缺陷主要出現(xiàn)在孔的出口端，其形成原因是由于橫刃鉆出時，出口端的最表層纖維沒有束縛，其承載力比較低，在鉆削軸向力的作用下材料有一定程度的凸起，導(dǎo)致最表層的材料出現(xiàn)明顯的毛刺、撕裂現(xiàn)象［10］。由表2，3可見，用金剛石涂層鉆頭加工出的孔，其端口表面質(zhì)量明顯好于用硬質(zhì)合金麻花鉆頭加工的；出口端的毛刺、撕裂呈現(xiàn)一定的區(qū)域性和規(guī)律性，以鉆頭主切削刃的速度方向為正方向，毛刺、撕裂主要出現(xiàn)在纖維鋪設(shè)方向和切削方向夾角為鈍角的區(qū)域。

鉆削軸向力是影響孔加工質(zhì)量的重要因素，由圖4可見高轉(zhuǎn)速、低進給速度的鉆削軸向力最小，則孔加工的質(zhì)量也應(yīng)是最好的。然而采用硬質(zhì)合金麻花鉆頭鉆削時，由孔的出口端形貌可發(fā)現(xiàn)在進給速度為40mm·min－1時，主軸轉(zhuǎn)速為12000r·min－1下加工孔的質(zhì)量比主軸轉(zhuǎn)速為6000r·min－1的還差。其主要原因是鉆削碳纖維復(fù)合材料時隨著鉆孔數(shù)量的增加硬質(zhì)合金鉆頭磨損加劇，刀刃鈍化嚴重。采用金剛石涂層鉆頭鉆削時孔的質(zhì)量與軸向力的影響效果一致，在高轉(zhuǎn)速、低進給速度下孔的出口端質(zhì)量是最好的。由于金剛石涂層鉆頭的加工性能好，在鉆削碳纖維復(fù)合材料時鉆頭的磨損很小且能保持鋒利的切削刃。綜上所述，鉆削軸向力是影響孔出口端質(zhì)量的重要因素，但鉆頭的磨損和刀刃鈍化程度也同樣是影響孔出口端質(zhì)量的重要因素。在鉆頭正常的磨損階段，高轉(zhuǎn)速、低進給速度能有效地提高孔的加工質(zhì)量。

表2 硬質(zhì)合金麻花鉆頭不同參數(shù)下鉆孔的出口端形貌Tab.2 Exit morphology of holes drilled by carbide twist drill under different process parameters

表3 金剛石涂層鉆頭在不同參數(shù)下鉆孔的出口端形貌Tab.3 Exit morphology of holes drilled by diamond coated drill under different process parameters

3 結(jié) 論

（1）鉆削碳纖維復(fù)合材料時鉆削軸向力隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨進給速度的增加而增大；在相同的加工參數(shù)下，金剛石涂層鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料的鉆削軸向力比硬質(zhì)合金鉆頭的小40%；從降低鉆削軸向力的角度分析，高轉(zhuǎn)速、低進給速度能有效地提高孔的加工質(zhì)量。

（2）在相同的加工參數(shù)下，金剛石涂層鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料時的鉆削溫度比硬質(zhì)合金麻花鉆頭鉆削時的低17%，當(dāng)進給速度不變時，硬質(zhì)合金麻花鉆頭鉆削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而增大，金剛石涂層鉆頭鉆削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而降低，且進給速度對金剛石涂層鉆頭鉆削溫度的影響較小，金剛石涂層鉆頭能有效地提高鉆削加工效率。

（3）金剛石涂層鉆頭在鉆削碳纖維復(fù)合材料時，孔的出口端表面質(zhì)量明顯好于硬質(zhì)合金麻花鉆頭鉆削的；金剛石涂層鉆頭的鉆削性能更好，更適合碳纖維復(fù)合材料的制孔加工。

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