基于硬質(zhì)合金開孔器對碳纖維復合材料的制孔

孫會來，陳寧，于欣欣（天津工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300387）

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基于硬質(zhì)合金開孔器對碳纖維復合材料的制孔

孫會來，陳寧，于欣欣
（天津工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300387）

為更好地避免碳纖維復合材料（CFRP）的制孔缺陷，選擇硬質(zhì)合金開孔器制孔，在相同工藝參數(shù)下對2種刀具制孔過程中的軸向力大小以及制成孔的出口質(zhì)量進行對比分析，討論制孔加工過程中的受力情況.試驗結(jié)果和分析表明：在主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min、進給速率為150 mm/min時，硬質(zhì)合金開孔器加工的孔出口處質(zhì)量較平整，幾乎沒有撕裂出現(xiàn)，而釬焊金剛石套料鉆加工的孔出口處有些許撕裂，而且對比前者，其崩邊缺陷較為嚴重，崩邊因子為0.10.同等條件下，硬質(zhì)合金開孔器制成孔的孔壁粗糙度為0.213，釬焊金剛石套料鉆制成孔的孔壁粗糙度則為0.621，較粗糙，所以選擇硬質(zhì)合金開孔器對碳纖維復合材料制孔更優(yōu).

碳纖維復合材料（CFRP）；制孔工藝；硬質(zhì)合金開孔器；制孔質(zhì)量

碳纖維復合材料（carbon fiber reinforced plastic，CFRP）是一種以環(huán)氧樹脂為基體材料、碳纖維為增強體的先進材料.從其結(jié)構(gòu)及性能來說，它不僅具有碳材料的固有特性，即高比模量和比強度、抗高溫、耐腐蝕、導電、傳熱以及熱膨脹系數(shù)小等特點，還具備紡織纖維的柔軟可編織性，所以在航空航天領(lǐng)域被廣泛使用［1-8］.但另一方面CFRP屬于難加工材料，盡管近年來其凈成型制造已經(jīng)可以實現(xiàn)，對于大多數(shù)航空應(yīng)用領(lǐng)域中的復雜結(jié)構(gòu)而言，機械連接依然還是一個不可缺少的工藝過程［9］.

CFRP因其特殊的成型工藝，常以層合板形式出現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，其性能表現(xiàn)為各向異性，制孔加工中常出現(xiàn)毛刺、分層與撕裂的制孔缺陷，這些缺陷對制孔的尺寸精度產(chǎn)生嚴重影響［10-11］.Koplev等［12］對CFRP進行切削試驗研究，發(fā)現(xiàn)纖維最終被切斷是因為切削過程的刀具進給中，垂直于CFRP自身軸線的剪切應(yīng)力超過材料的極限剪切強度所致.張厚江等［13］做了單向碳纖維復合材料（UCFRP）直角自由切削力的研究，將直角自由切削的切削區(qū)劃分為3個變形區(qū)，再從力學角度出發(fā)分別計算得到相應(yīng)切削力，總切削力即為3個變形區(qū)的切削力的代數(shù)和，而且他提出的切削力計算值與實驗測定值具有較好一致性. Mohan等［14］建立了扭矩和軸向力關(guān)于刀具直徑和進給速度的半經(jīng)驗公式.Chen［15］做了大量麻花鉆制孔試驗，研究刀具的幾何參數(shù)和切削速度、進給速度對鉆削中的軸向力及扭矩的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)可以通過優(yōu)化刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)減小切削力，避免復合材料的分層損傷.本文探討不同主軸轉(zhuǎn)速及進給速度下刀具制孔中軸向力的變化規(guī)律.Jain等［16］和Tsao等［17］設(shè)計出了一種中空結(jié)構(gòu)的孕鑲金剛石磨削刀具對復合材料制孔，其機理為磨削加工即“以磨代鉆”.因為刀具的中空式結(jié)構(gòu)，加工面積小，相較于麻花鉆頭，消除了橫刃部分的不利因素，切削過程較平穩(wěn)，且切削力的波動不大.但在之后研究中發(fā)現(xiàn)“以磨代鉆”的磨粒很難實現(xiàn)嚴格有序的排布，單顆磨粒的切削厚度難以準確控制，所以借由此種制孔方法的孔口表面質(zhì)量不優(yōu)［18］.本文嘗試用硬質(zhì)合金開孔器對CFRP進行制孔，對比其與“以磨代鉆”的釬焊金剛石套料鉆的軸向力大小及孔出口質(zhì)量，分析其制孔成型過程，得到更優(yōu)的制孔工藝.

1　實驗條件

實驗中采用的材料為碳纖維復合材料（CFRP），型號為T300，厚度為2 mm，鋪層形式為13層［0°/90°/0°］.

建立的CFRP制孔試驗平臺是由漢川XK714D數(shù)控立式加工中心和軸向力動態(tài)測量系統(tǒng)組成的. XK714D數(shù)控銑床的主要技術(shù)參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速范圍60～8 000 r/min；進給速度范圍（X/Y/Z）2.5～5 000 mm/ min；行程（X/Y/Z），630 mm/400 mm/500 mm；主軸電機功率7.5/11 kW；工作臺面積400 mm×900 mm.軸向力動態(tài)測量系統(tǒng)如圖1所示.

圖1　軸向力的動態(tài)測量系統(tǒng)Fig.1　Dynamic measuring system of axial force

圖1中，測力儀為Kistler 9257B測力儀，電荷放大儀和信號采集卡分別為5070A電荷放大器和5697A1數(shù)據(jù)采集器，采用Dyno Ware采集軟件對制孔過程中的軸向力進行采集記錄.

試驗所用2種刀具分別為釬焊金剛石套料鉆和硬質(zhì)合金開孔器.

（1）釬焊金剛石套料鉆如圖2所示.基體材料是45鋼，由鉆頭、長孔、刀體、刀柄構(gòu)成，外徑14 mm，壁厚2 mm.刀具結(jié)構(gòu)上的長孔為防止切屑聚集，方便排屑.鉆頭部分是金剛石磨粒，粒度為40/45目，基體材料跟金剛石磨粒是經(jīng)過高溫釬焊工藝實現(xiàn)的.

圖2　釬焊金剛石套料鉆Fig.2　Brazed diamond core drill

（2）硬質(zhì)合金開孔器如圖3所示，其外徑為14 mm，有4枚超硬質(zhì)合金組合刃，組合刃的結(jié)構(gòu)為外刃、中刃、內(nèi)刃，每一個刀刃在整個切削中都只負擔1/4的工作量，使得硬質(zhì)合金開孔器在制孔時不易崩刃.

圖3　硬質(zhì)合金開孔器Fig.3　Carbide hole opener

為保證試驗中單因素變化，使用刀具的外徑采用同一尺寸大小.

使用2種刀具對碳纖維復合材料制孔后，孔出口質(zhì)量的觀測使用的是SMZ-T4連續(xù)變倍體視顯微鏡及軟件觀測系統(tǒng)（如圖4所示）和Mahr粗糙度測量儀.

圖4　SMZ-T4連續(xù)變倍體視顯微鏡及軟件觀測系統(tǒng)Fig.4　SMZ-T4 continuous zoom stereo microscope and software observation system

在對CFRP制孔時，若刀具給定，影響軸向力的主要因素是主軸轉(zhuǎn)速和刀具的進給速度.本文遵循正交試驗設(shè)計方法建立CFRP制孔試驗方案：進給速率取值分別為150 mm/min、180 mm/min和210mm/min，主軸轉(zhuǎn)速取值分別為2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/ min和5 000 r/min.為保證采集的數(shù)據(jù)可靠、科學，相同工藝參數(shù)下都重復加工4個孔，軸向力的觀測取其平均值進行.

另外，試驗加工中碳纖維復合材料會有切屑、粉塵的出現(xiàn)，為減少傷害，用吸塵器收集切削，用防塵口罩避免人體傷害.

2　實驗結(jié)果

2.1軸向力

圖5為硬質(zhì)合金開孔器與釬焊金剛石套料鉆在不同進給速度、主軸轉(zhuǎn)速時的軸向力對比圖.

圖5　2種刀具軸向力的對比圖Fig.5　Comparison of two kinds of tool axial force

由圖5可知，進給速度增加，導致軸向力明顯變大，呈現(xiàn)遞增趨勢.例如，在主軸轉(zhuǎn)速n=5 000 r/min時，通過對硬質(zhì)合金開孔器在進給速率分別為210 mm/min和180 mm/min時軸向力的對比計算，得出結(jié)果：其分別比進給速率為150 mm/min時的軸向力增大了24.4%和19.1%.通過對釬焊金剛石套料鉆在進給速率分別為210 mm/min和180 mm/min時軸向力的對比計算，得出結(jié)果：其分別比進給速率為150 mm/min時的軸向力增大了20.2%和9.1%.

由圖5還可以看出，主軸轉(zhuǎn)速增加，導致軸向力明顯變小.例如，在進給速率vf=180 mm/min時，對硬質(zhì)合金開孔器在主軸轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min、3 000 r/ min和4 000 r/min時進行軸向力對比計算，得出其分別比主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時的軸向力增大了34.9%、 21.1%和16.5%.對釬焊金剛石套料鉆在主軸轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min、3 000 r/min和4 000 r/min時進行軸向力對比計算，得出其分別比主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時的軸向力增大了39.5%、27.7%和17.6%.

從以上計算數(shù)據(jù)比較可知，硬質(zhì)合金開孔器受主軸轉(zhuǎn)速的影響，要小于釬焊金剛石套料鉆.說明相同進給速度下，硬質(zhì)合金開孔器制孔加工的效果更穩(wěn)定，釬焊金剛石套料鉆“以磨代鉆”制孔質(zhì)量更易受主軸轉(zhuǎn)速影響.

從圖5中還可明顯看出，相同制孔工藝參數(shù)條件下，硬質(zhì)合金開孔器制孔加工時的軸向力要小于釬焊金剛石套料鉆.如在主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時進行軸向力對比計算，得出硬質(zhì)合金開孔器比釬焊金剛石套料鉆在進給速率分別為150 mm/min、180 mm/min和210 mm/min制孔時，軸向力分別減少了19.1%、9.1% 和14.9%.所以，從以上計算數(shù)據(jù)可知，硬質(zhì)合金開孔器的制孔加工性能更優(yōu).

2.2孔出口處質(zhì)量

分析CFRP層合板的破壞程度，通常用來衡量孔口質(zhì)量的指標是崩邊因子和粗糙度，用崩邊因子LD來表征孔出口處的質(zhì)量，用粗糙度Ra來表征制成孔的孔壁質(zhì)量.崩邊區(qū)域示意圖如圖6所示.

圖6　崩邊區(qū)域示意圖Fig.6　Sketch map of collapse area

本文定義崩邊因子LD：

式中：L為孔出口處破壞區(qū)域的最大直徑；D為CFRP層合板的實際制孔直徑.所以，崩邊因子LD越大，CFRP制成孔的孔出口處質(zhì)量越差.

用硬質(zhì)合金開孔器在主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min和5 000 r/min條件下進行制孔對比試驗，孔出口損傷形貌圖如圖7所示.

圖7（a）、（b）、（c）是主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時孔出口的損傷情況.從圖中可看出，當vf=180 mm/min、210 mm/min時孔口都出現(xiàn)輕微撕裂現(xiàn)象，撕裂范圍里有少許碳纖維束的遺留，崩邊因子經(jīng)計算分別為0.01、0.01、0.03，此時的崩邊程度很輕微.

圖7　不同轉(zhuǎn)速條件下的硬質(zhì)合金開孔器制孔形貌Fig.7　Carbide hole opener under different speed conditions making hole shape

圖7（d）、（e）、（f）為主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時孔出口的損傷情況.從圖中可看出vf=180 mm/min、210 mm/min時孔口也出現(xiàn)輕微撕裂，不會出現(xiàn)崩邊的制孔損傷.

圖7（g）、（h）、（i）和（j）、（k）、（l）分別為主軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min和5 000 r/min時孔出口的損傷情況.從圖中可看出vf=210 mm/min時孔口出現(xiàn)輕微撕裂，但孔出口處也不會出現(xiàn)崩邊損傷.

同樣進行縱向比較，發(fā)現(xiàn)在相同進給速度條件下，主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時，孔出口處幾乎沒有撕裂損傷，制孔的質(zhì)量良好.

硬質(zhì)合金開孔器制成孔的孔壁粗糙度使用Mahr粗糙度測量儀測量結(jié)果如表1所示.

用釬焊金剛石套料鉆在主軸轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/ min、3 000 r/min、4 000 r/min和5 000 r/min條件下進行制孔對比試驗，孔出口損傷形貌圖如圖8所示.

圖8（a）、（b）、（c）是主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時孔出口的損傷情況，從圖中可看出，當vf=150 mm/min、180 mm/min、210 mm/min時孔口都出現(xiàn)了撕裂現(xiàn)象，且撕裂范圍中均能明顯看到碳纖維的遺留，崩邊因子經(jīng)計算分別為0.18、0.22、0.24，此時的孔出口崩邊程度偏嚴重.

表1　不同轉(zhuǎn)速條件下的硬質(zhì)合金開孔器制成孔的孔壁粗糙度Tab.1　Hole wall roughness of carbide hole opener under different speed conditions μm

圖8　不同轉(zhuǎn)速條件下的釬焊金剛石套料鉆制孔形貌Fig.8　Brazed diamond core drill under different speed conditions making hole shape

圖8（d）、（e）、（f）是主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時孔出口的損傷情況，從圖中可看出vf=180 mm/min和210 mm/min時孔口都出現(xiàn)了撕裂現(xiàn)象，撕裂范圍也有碳纖維的遺留，崩邊因子經(jīng)計算分別為0.15、0.16、0.18，此時的崩邊程度偏嚴重.

圖8（g）、（h）、（i）是主軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時孔出口的損傷情況，從圖中可看出vf=180 mm/min、210 mm/min時孔口都出現(xiàn)了撕裂現(xiàn)象，崩邊因子經(jīng)計算分別為0.12、0.13、0.14，此時的崩邊程度較輕.

圖8（j）、（k）、（l）是主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時孔出口的損傷情況，從圖中可看出vf=180 mm/min時孔口都出現(xiàn)了撕裂現(xiàn)象，崩邊因子經(jīng)計算分別為0.10、0.11、0.12，此時的崩邊程度較輕.

縱向比較發(fā)現(xiàn)，在相同進給速度條件下，主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時，孔口的崩邊因子相對較小，“以磨代鉆”的制孔質(zhì)量較好.

釬焊金剛石套料鉆制成孔的孔壁粗糙度使用Mahr粗糙度測量儀測量結(jié)果如表2所示.

表2　不同轉(zhuǎn)速條件下的釬焊金剛石套料鉆制成孔的孔壁粗糙度Tab.2　Hole wall roughness of brazed diamond core drill under different speed conditions μm

從圖7、圖8以及表1、表2分別對比都可以發(fā)現(xiàn)，在主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min、進給速度vf=150 mm/ min時，釬焊金剛石套料鉆和硬質(zhì)合金開孔器的制孔質(zhì)量都最好.所以選擇在這組工藝參數(shù)條件下，對比討論2種刀具的孔出口質(zhì)量如圖9所示.

圖9　2種刀具的制孔形貌Fig.9　Two kinds of cutter hole morphology

從圖9（a）、（b）的局部放大圖對比可看出，采用硬質(zhì)合金開孔器加工的孔出口處質(zhì)量較平整，幾乎沒有撕裂出現(xiàn)，而釬焊金剛石套料鉆的“以磨代鉆”加工的孔出口處有些許撕裂，而且對比前者，它的崩邊缺陷較為嚴重，崩邊因子LD為0.10.對比此時硬質(zhì)合金開孔器制成孔的孔壁粗糙度Ra為0.213，釬焊金剛石套料鉆制成孔的孔壁粗糙度則為0.621，較粗糙.

因此，可以得出結(jié)論：相同加工工藝參數(shù)條件下，選用硬質(zhì)合金開孔器的制孔質(zhì)量要優(yōu)于釬焊金剛石套料鉆“以磨代鉆”的制孔質(zhì)量.

3　分析與討論

圖10為硬質(zhì)合金開孔器對碳纖維復合材料制孔加工過程中，試驗測得的軸向力的變化.

圖10　硬質(zhì)合金開孔器制孔時軸向力采集信號Fig.10Carbide hole opener drilling axial force signal acquisition

圖10中紀錄的軸向力信號在第7.7 s后出現(xiàn)一個回升的趨勢是因為在實驗中加工到作為墊板的CFRP的原因.為防止刀具鉆孔時碰到測力儀，在被加工的CFRP層合板之下測力儀之上墊有一塊相同的CFRP層合板.所以這個回升區(qū)間是開始下一個循環(huán)的制孔，在研究一次制孔過程時可忽略，硬質(zhì)合金開孔器對CFRP制孔示意圖如圖11所示.

圖11　硬質(zhì)合金開孔器制孔時的軸向力變化示意圖Fig.11Change of axial force in hole of carbide hole opener

圖11中的A、B、C、D 4個位置，分別對應(yīng)圖12中的（a）、（b）、（c）、（d）4個狀態(tài).

從點A到點B，是開孔器刀具開始接觸CFRP層合板的最上一層到主切削刃全部參與切削的過程.點A開孔器的刀尖開始接觸并逐漸切進CFRP層合板內(nèi)，刀尖產(chǎn)生的切削力將碳纖維切斷，直至開孔器的主切削刃完全切入CFRP中.如若所用刀具的主切削刃不夠鋒利的話，此時只能將CFRP的樹脂基體完全切除，而主切削刃邊緣處的碳纖維，尤其是短碳纖維是很難被完全切斷的.隨著主切削刃的逐漸切進，CFRP層合板受到的軸向力逐漸增大.到點B時，開孔器的主切削刃全部參與切削，軸向力大小到達最大值點.

圖12　硬質(zhì)合金開孔器對CFRP制孔過程模型Fig.12Carbide hole opener drilling process model of CFRP

從點B到點C，是開孔器的切削刃在CFRP層合板內(nèi)部進行切削的過程.隨著制孔刀具開孔器的向下進給，刀具的切削方向與碳纖維的軸向夾角呈周期性規(guī)律變化，所以軸向力變化平穩(wěn)，波動幅度較小.在制孔刀具的切削刃即將到達CFRP層合板底部時，切削層變薄，給刀具的支撐力變小，軸向力的曲線呈下滑趨勢.

從點C到點D，是開孔器刀尖出孔口到主切削刃完全伸出孔口的過程.在點C時，由于CFRP的高強度的材料特性及較低的層間結(jié)合強度，材料易被不斷垂直朝下擠壓，造成撕裂.而硬質(zhì)合金開孔器的切削刃對CFRP進行切削時相當于受漸增均布載荷作用下雙端固支梁的受力，并且2個主切削刃與水平方向有一定斜角，在造成撕裂之前，切削刃已經(jīng)切斷下一層的增強碳纖維，有效避免了缺陷形成.隨著開孔器的繼續(xù)向下運動，CFRP層合板的最后一層被切斷，軸向力急劇下降.隨著主切削刃的持續(xù)切進，軸向力繼續(xù)變小，直至切削過程結(jié)束，開孔器的切削刃全部鉆出CFRP層合板，軸向力減為0.不同于釬焊金剛石套料鉆的單顆磨粒難以實現(xiàn)嚴格有序排布，以此導致磨粒的切削深度難以準確控制，硬質(zhì)合金開孔器的4枚組合刃是完全相同的，每轉(zhuǎn)的切削深度均相同，這也對制孔質(zhì)量起到很好的保障作用.

4　結(jié)語

通過改變制孔加工過程中的工藝參數(shù)（提高主軸轉(zhuǎn)速、減小刀具的進給速率）來改變制孔質(zhì)量，在主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min、進給速率為150 mm/min時，選擇硬質(zhì)合金開孔器制孔的軸向力要小于釬焊金剛石套料鉆“以磨代鉆”制孔的軸向力，相較于此時前者制成孔的孔出口處質(zhì)量平整，幾乎無撕裂，孔壁粗糙度為0.213的情形，“以磨代鉆”方法制成孔的孔出口處崩邊因子達0.10，孔壁粗糙度為0.621，較粗糙，所以選擇硬質(zhì)合金升孔器對CFRP制孔更優(yōu)。.

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Drilling technology of carbon fiber reinforced plastic（CFRP）with carbide hole opener

SUN Hui-lai，CHEN Ning，YU Xin-xin
（School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

In order to avoid the hole defects of CFRP，the carbide hole opener was chosen.Under the same process parameters，the axial force and the quality of the outlet of two kinds of cutting tools were analyzed comparatively and the force in the process of drilling hole was discussed.The test results show that it is better to choose carbide hole opener to make hole of CFRP.Both the test and analysis show that：when the spindle speed is 5 000 r/min，and the feed rate is 150 mm/min，the quality of the outlet hole is relatively smooth with the carbide hole opener and there is almost no tear to appear.However，there is a little tear at the hole exit with the Brazed Diamond Core drill.Its collapse defect is more serious and the edge collapse factor is 0.10，compared with the former.At this time，compared with the hole wall roughness of 0.213 with the carbide hole opener，the hole wall roughness with the brazed diamond core drill is 0.621，which is coarser.Therefore the choice of hole making of CFRP with carbide hole opener is better.

carbon fiber reinforced plastic（CFRP）；drilling technology；carbide alloy hole opener；hole quality

TB332

A

1671－024X（2016）03－0066－07

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.03.013

2015-12-25

天津市科委項目（14JCTPJC00536）；四川省重點實驗室開放基金（szjj2011-042）.

孫會來（1974—），男，副教授，主要研究方向為微納尺度加工科學與工程等.E-mail：sunhl@tjpu.edu.cn