鉆擴(kuò)鉸一體加工對(duì)提高碳纖維復(fù)合材料表面質(zhì)量的研究

楊小璠，李友生，鄢國(guó)洪，馬銳鋒，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)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是以碳纖維為增強(qiáng)體的樹(shù)脂基復(fù)合材料，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)用于航天、航空和國(guó)防等領(lǐng)域［1］．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，特別是制孔過(guò)程中容易產(chǎn)生毛刺、撕裂、分層等加工缺陷，加工質(zhì)量難以控制，嚴(yán)重影響了CFRP結(jié)構(gòu)件的連接強(qiáng)度和疲勞壽命．因此如何保證CFRP鉆削加工質(zhì)量成為當(dāng)前CFRP鉆削加工中急需解決的問(wèn)題［2］．

關(guān)于碳纖維復(fù)合材料的鉆削加工缺陷，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在切削機(jī)理、改進(jìn)加工工藝等方面開(kāi)展了一些研究．Tsao和Hocheng［3］揭示了撕裂和分層缺陷的形成機(jī)理，研究了出孔缺陷與軸向鉆削力之間的關(guān)系;Gaitonde等［4］通過(guò)選取不同的切削用量和刀具角度為參數(shù)進(jìn)行鉆孔正交試驗(yàn)，得出高主軸轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給和小刃傾角可以減小撕裂和分層缺陷的產(chǎn)生;李桂玉等［5］通過(guò)紅外熱像儀的檢測(cè)技術(shù)分析了孔的分層缺陷，建立了撕裂和分層缺陷的預(yù)測(cè)模型;鮑永杰等［6］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．

分析了CFRP鉆孔缺陷的形成機(jī)理，提出“鉆擴(kuò)鉸一體加工”的鉆削模式并據(jù)此設(shè)計(jì)了新型刀具．在相同切削條件下，選用目前CFRP鉆孔加工中常用的涂層硬質(zhì)合金麻花鉆和課題組研制的鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具進(jìn)行CFRP的鉆削對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)采集鉆削過(guò)程中的軸向力，觀察鉆孔出口質(zhì)量和刀具的磨損形貌來(lái)分析“鉆擴(kuò)鉸一體加工”模式對(duì)碳纖維復(fù)合材料出孔表面質(zhì)量的影響．

1 碳纖維復(fù)合材料鉆削缺陷的形成機(jī)理分析與改善

在航空制造領(lǐng)域中，硬質(zhì)合金麻花鉆作為一種通用刀具常用來(lái)鉆削碳纖維復(fù)合材料，但在加工過(guò)程中存在刀具耐用度偏低、工件的出孔質(zhì)量得不到保證等瓶頸［7］．圖1所示為硬質(zhì)合金麻花鉆鉆削CFRP的示意圖．在鉆削過(guò)程中，當(dāng)纖維層受到的軸向拉力大于復(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)分層破壞;當(dāng)?shù)度秀@削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，在鉆削軸向力的作用下，纖維束容易發(fā)生分散，不易被剪切斷，從而在出孔表面形成撕裂和毛刺現(xiàn)象，如圖2所示．毛刺是由于碳纖維沒(méi)有沿圓周方向被切斷而形成的，主要發(fā)生在孔的最外層表面，可用后續(xù)工序?qū)⑵淙コ?，?duì)工件質(zhì)量影響較小;撕裂則是由于底層纖維材料尚未進(jìn)入切削區(qū)，在較大軸向力的作用下直接從樹(shù)脂基體材料上撕開(kāi)造成的，一般沿著碳纖維方向發(fā)生［8］．分層和撕裂現(xiàn)象嚴(yán)重影響了工件的鉆孔質(zhì)量［9］．

圖1 麻花鉆鉆削過(guò)程示意圖Fig．1 Schematic diagram of twist drill in cutting process

圖2鉆削CFRP常見(jiàn)工件表面缺陷示意圖Fig．2 Schematic diagram of failing mode during drilling CFRP

由此可見(jiàn)，降低鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí)的鉆削軸向力，延長(zhǎng)刀具刃口鋒利性是高質(zhì)量鉆削碳纖維復(fù)合材料最直接的方法．依據(jù)這個(gè)思路，本文提出了鉆擴(kuò)鉸一體加工的鉆削模式，并提出針對(duì)碳纖維復(fù)合材料制孔專用鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具的設(shè)計(jì)方案，如圖3所示．鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具采用多刀刃設(shè)計(jì)，切削刃由刃尖、底刃、1階擴(kuò)孔刃、1階鉸削刃、2階擴(kuò)孔刃和2階鉸削刃6個(gè)部分組成，可實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的鉆、擴(kuò)、鉸一體化加工，提高了鉆孔加工質(zhì)量和加工效率．

圖4所示為碳纖維復(fù)合材料分階段鉆削，實(shí)現(xiàn)鉆擴(kuò)鉸一體化加工的示意圖．鉆削時(shí)復(fù)合刀具的刃尖先接觸到復(fù)合材料，主要起定心作用，隨即底刃開(kāi)始鉆孔，先在復(fù)合材料上形成一個(gè)定位錐孔．緊接著1階擴(kuò)孔刃進(jìn)入切削，碳纖維復(fù)合材料被逐步切除;然后1階鉸削刃進(jìn)入切削，鉸削過(guò)程中，鉸削刃在將前端鉆削時(shí)產(chǎn)生的缺陷切除的同時(shí)，對(duì)孔壁起到了修整作用，為后續(xù)2階擴(kuò)孔起到了良好的過(guò)渡作用．隨后2階擴(kuò)孔刃和2階鉸削刃繼續(xù)擴(kuò)孔和鉸孔，最終形成尺寸合格、表面質(zhì)量?jī)?yōu)異的鉆削孔．由于新型復(fù)合刀具在鉆削過(guò)程中采用多次分階段逐層切削，切削過(guò)程更加平穩(wěn)，相比普通硬質(zhì)合金麻花鉆頭，大大增加了切削刃的長(zhǎng)度，從而降低了切削刃上的單位切削力，延長(zhǎng)了切削刃的鋒利性，提高了鉆孔質(zhì)量．

圖3 鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具示意圖Fig．3 Schematic diagram of combined cutting tool for drilling，expanding and reaming

圖4 碳纖維復(fù)合材料分階段鉆削的示意圖Fig．4 Schematic diagram of graded drilling on carbon fiber－ reinforced plastics

2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)工件材料為T(mén)700碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂2510復(fù)合而成的厚度為8．5 mm的碳纖維復(fù)合材料，層鋪方式為［0°/90°/±45°］，碳纖維的體積百分比為(65±5)%．試驗(yàn)刀具選用課題組研制的TiAlCrN/TiSiN涂層鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具和同樣涂層的普通硬質(zhì)合金麻花鉆，如圖5所示．兩種刀具直徑均為4 mm，刀具幾何參數(shù)如表1所示．

圖5 試驗(yàn)中使用的鉆頭Fig．5 Drills using in the experiment

表1 實(shí)驗(yàn)刀具參數(shù)Tab．1 Parameters of cutting tools in the experiment

鉆削試驗(yàn)在福裕QP2033－L加工中心上進(jìn)行，加工條件如表2所示．鉆削過(guò)程中使用型號(hào)為Kistler9265B的測(cè)力儀進(jìn)行鉆削力的采集．試驗(yàn)后，選用Keyence顯微鏡(型號(hào):VHX－100)觀察鉆削出孔質(zhì)量以及刀具切削刃的磨損情況．本次試驗(yàn)中，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料孔加工的實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料出孔表面質(zhì)量合格的判定標(biāo)準(zhǔn)作如下規(guī)定:1)出孔毛刺長(zhǎng)度小于孔徑的五分之一;2)出孔處纖維撕裂沿纖維束的長(zhǎng)度方向小于孔徑的十分之一，纖維撕裂寬度沿出孔圓周長(zhǎng)度小于孔周長(zhǎng)的六分之一;3)鉆削后的孔壁用肉眼觀察在纖維層和纖維層之間不能出現(xiàn)裂紋．刀具壽命以碳纖維復(fù)合材料出口表面質(zhì)量為判定依據(jù)．

表2 碳纖維復(fù)合材料的鉆削加工條件Tab．2 Drilling conditions on carbon fiber－reinforced plastics

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 鉆削軸向力

鉆削碳纖維復(fù)合材料過(guò)程中切削力的主要來(lái)源是克服碳纖維和樹(shù)脂基體的彈、塑性變形抗力及剪切抗力，克服切屑與鉆頭前刀面以及鉆頭后刀面與已加工表面間的摩擦阻力．鉆削力可分解為軸向力和切向力，其中切向力形成扭矩，軸向力產(chǎn)生垂直應(yīng)力．鉆削軸向力是引起材料分層和撕裂的主要原因［10］．

圖6所示為硬質(zhì)合金麻花鉆與鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具鉆孔時(shí)的軸向力對(duì)比圖．從圖中可以看出，在相同的切削條件下，兩種刀具的鉆削軸向力都隨著被加工孔數(shù)量的增加呈上升趨勢(shì)，這主要是由于刀具磨損的原因造成的．在鉆孔個(gè)數(shù)相同的前提下，鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具產(chǎn)生的軸向力約為硬質(zhì)合金麻花鉆的50%～60%．這主要是由于麻花鉆鉆孔時(shí)，橫刃的負(fù)前角切削加大了碳纖維及樹(shù)脂基體變形、斷裂的抗力;而且橫刃工作時(shí)的切削速度相對(duì)進(jìn)給速度較小，對(duì)材料的擠壓和研磨作用大于切削作用，會(huì)產(chǎn)生較大的軸向力．而專用的鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具從結(jié)構(gòu)上縮短了橫刃的長(zhǎng)度，只留下較短的橫刃在鉆削過(guò)程中起到定心的作用;同時(shí)，由于復(fù)合刀具是采用多次分階段切削，逐步將鉆削孔加工至最終尺寸，而麻花鉆頭則是一次將材料去除，使鉆削孔達(dá)到要求的尺寸精度，所以復(fù)合刀具的產(chǎn)生的軸向力比麻花鉆頭小得多．在鉆削過(guò)程中，麻花鉆的軸向力曲線呈較快的上升趨勢(shì)，而鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具的軸向力曲線變化較平緩．這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于復(fù)合刀具的加工余量采用多次分層切削，增加了切削刃的長(zhǎng)度和切削刃的數(shù)量，鉆削時(shí)單位長(zhǎng)度切削刃上分擔(dān)的切削力要比普通麻花鉆小，刀具刃口磨損緩慢，從而保證了切削刃的鋒利性，因此軸向力上升較平穩(wěn)．

圖6 硬質(zhì)合金麻花鉆與鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具的鉆削軸向力對(duì)比圖Fig．6 The thrust force comparison chart of cemented carbide twist drill and tools for one－shot drilling

3．2 出孔表面質(zhì)量和刀具磨損

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)由于材料未切削部分較少，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7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)出孔表面質(zhì)量的照片．從試驗(yàn)中可以得出:麻花鉆在開(kāi)始鉆削CFRP時(shí)，出孔表面質(zhì)量可以達(dá)到要求，但鉆削到8個(gè)孔時(shí)，出孔表面即出現(xiàn)毛刺、輕微撕裂的加工缺陷，這是由于隨著鉆頭的磨損，刃口不夠鋒利，軸向力增大的原因;使用麻花鉆繼續(xù)加工至15個(gè)孔時(shí)，鉆頭磨損加劇，此時(shí)鉆削力顯著增大(如圖6所示)，在切削刃向下推擠作用下，底部纖維層受到的軸向拉力大于纖維層間的結(jié)合力，在出孔表面易形成毛刺和撕裂現(xiàn)象，如圖7(a)所示，此時(shí)CFRP出孔表面質(zhì)量為可接受的下限;繼續(xù)使用麻花鉆鉆削CFRP時(shí)，孔的表面質(zhì)量已達(dá)不到使用要求．同時(shí)觀察麻花鉆的刃口磨損形貌，可以發(fā)現(xiàn)鉆頭的橫刃、主切削刃及圓周刃的后刀面都已出現(xiàn)明顯的磨損，如圖8(a)、(b)所示．由于碳纖維粉末狀切屑的硬度極高，在鉆削過(guò)程中堆積在刀刃附近與刀具之間發(fā)生劇烈摩擦，切削刃磨損較快;而鉆削處于半封閉的切削環(huán)境，散熱條件較差，刀具的快速磨損使得切削力快速增大，切削區(qū)的溫度急劇上升，進(jìn)一步加速了刀具的磨損．

圖7 鉆孔出口質(zhì)量照片F(xiàn)ig．7 Photos of drilling exit quality

使用鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具加工15個(gè)孔后，可以觀察到碳纖維復(fù)合材料的出孔表面質(zhì)量良好，如圖7(c)所示;繼續(xù)加工至45個(gè)孔后，材料的出孔表面亦出現(xiàn)輕微的毛刺，但無(wú)明顯的撕裂現(xiàn)象，孔的質(zhì)量仍然可以滿足要求，如圖7(d)所示．結(jié)合圖6可以看出，此時(shí)的鉆削軸向力變化不大，相比加工15孔時(shí)的軸向力略有增加．觀察刀刃的磨損形貌，可看到鉆削45個(gè)孔后鉆頭的底刃和一階擴(kuò)孔刃已有輕微磨損，但一階鉸削刃及后面的二階刀刃仍較為鋒利，如圖8(d)所示．由軸向力變化曲線可知，此時(shí)刀具已進(jìn)入正常磨損階段，切削力增加較為緩慢，鉆孔質(zhì)量較為穩(wěn)定．由于復(fù)合刀具在刃口后端增加了去毛刺鉸削的切削刃，可以為復(fù)合材料的出孔表面質(zhì)量提供保障．當(dāng)使用鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具加工至90個(gè)孔時(shí)，隨著鉆削軸向力增大，出孔底部的纖維層受到軸向拉力大于纖維層間的結(jié)合力，在出孔表面也易形成毛刺和撕裂現(xiàn)象，但由于復(fù)合刀具的鉸削刃對(duì)出孔撕裂有快速的裁剪和修磨作用，抑制了撕裂程度，所以在鉆削出孔表面有輕微撕裂的白色印記，但沒(méi)有明顯的纖維毛刺，此時(shí)孔的出口質(zhì)量為可接受的下限．

圖8 鉆頭切削刃的磨損形貌圖Fig．8 Wear morphology of cutting edge

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工時(shí)表面缺陷形成機(jī)理的分析，提出了碳纖維復(fù)合材料鉆擴(kuò)鉸一體化加工的方案，并通過(guò)普通硬質(zhì)合金麻花鉆和鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具在相同切削條件進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的鉆削對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出以2點(diǎn)結(jié)論:

1)在鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具比普通硬質(zhì)合金麻花鉆更容易獲得高質(zhì)量的加工表面;

2)鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具在鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí)的軸向力比普通硬質(zhì)合金麻花鉆降低了約40%～50%，刀具耐用度提高了5～6倍．