三種鉆頭鉆削CFRP的制孔損傷對比

邱新義 李鵬南 陳安華 牛秋林 劉 峰

（1 湖南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，湘潭 411201）

（2 湖南科技大學(xué)機械設(shè)備健康維護省重點實驗室，湘潭 411201）

文 摘 采用二刃雙鋒角鉆頭、三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭在不同加工參數(shù)下鉆削CFRP，對比分析了孔入出口質(zhì)量（入口損傷、毛刺和出口撕裂），并采用毛刺存在角度來衡量毛刺的多少。結(jié)果表明：隨著進給量的增大毛刺存在的角度（范圍）α 先減小后增大；綜合考慮孔入口和出口質(zhì)量（毛刺和撕裂因子），三刃雙鋒角鉆頭最適合鉆CFRP。

0 引言

CFRP 的鉆削加工容易在表面產(chǎn)生許多獨特的特征，例如裂紋、毛刺、纖維拉出和分層等［1-2］，是一種公認的難加工材料［3］。孔入出口分層是最主要的損傷，這類型的損傷影響零件的裝配質(zhì)量和使用壽命［4］。

毛刺和撕裂通常發(fā)生在鉆孔的入口和出口兩處，毛刺和撕裂對裝配精度影響較大［5-7］，近年來愈加引起研究者的興趣。入口和出口分層的機理不同，分別為鉆孔入口處的剝離和鉆孔出口處的推出［8］。剝離是在鉆頭螺旋槽斜面產(chǎn)生的軸向剝離力作用下出現(xiàn)的，而推出分層是在軸向推力作用下產(chǎn)生的。推出分層比剝離分層嚴重很多。在過去的20年，許多學(xué)者對CFRP 板的鉆孔進行了大量研究，如各種類型的鉆頭（麻花鉆［9］、階梯鉆［10］、三尖鉆［9］、雙鋒角鉆頭［11］、匕首鉆［7］）、刀具的幾何參數(shù)（直徑［12］、鉆尖角［13］、螺旋角［14］、橫刃長度［15］）及刀具的材料［16］對分層的影響。切削參數(shù)［4］對分層的影響主要集中在主軸轉(zhuǎn)速和進給量的研究上，主軸轉(zhuǎn)速對分層的影響較小，而進給量對分層的影響較大。橫刃長度減少、鉆尖角減少有利于減少孔出口損傷［15］。

在許多研究中發(fā)現(xiàn)雙鋒角鉆頭鉆削CFRP 有減小軸向切削力和分層的優(yōu)勢［10］。以往的研究主要關(guān)注的是二刃雙鋒角鉆頭鉆削CFRP，對多刃雙鋒角鉆頭和多鋒角鉆頭（圓弧形鉆頭）的研究很少。本文對比分析二刃雙鋒角鉆頭、三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭（相當(dāng)于多鋒角鉆頭）鉆削CFRP 單向板的孔質(zhì)量（入口損傷、毛刺、出口撕裂），擬為復(fù)合材料專用鉆削刀具的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗設(shè)計

材料選用T800S/250F 單向?qū)雍习?，?guī)格為200 mm×200 mm×4.9 mm，碳纖維的體積分數(shù)為60%。刀具是硬質(zhì)合金鉆頭，鉆頭直徑為6 mm。試驗為全因素實驗，主軸轉(zhuǎn)速（n）的取值范圍1 500～5 500 r/min，進給量（f）的取值范圍10～55 μm/r。三種鉆頭的螺旋角為35°，鉆尖角為120°。加工在四川長征機床廠生產(chǎn)的KVC800/1 數(shù)控加工中心上完成實驗。鉆削后采用超景深三維顯微系統(tǒng)（型號：KEYENCE VHX-500FE）來觀測孔入出口質(zhì)量。

2 結(jié)果及分析

2.1 入口損傷

表1是三種鉆頭鉆削孔入口形貌。定義θ 為切削速度與纖維方向之間的夾角。二刃雙鋒角鉆頭在f≥30 μm/r時，孔入口側(cè)出現(xiàn)了分層損傷，損傷出現(xiàn)在θ 為90°～180°。f 增大損傷的程度也增大。原因是f增大，被切削層厚度增大，主切削刃剝離開的碳纖維層厚度增大，不容易被切斷，造成損傷增大。三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭的孔入口都沒有出現(xiàn)損傷。其原因是三刃雙鋒角鉆頭的切削刃有三條，每轉(zhuǎn)f相同的情況下，每齒f 比二刃雙鋒角鉆頭的小，主切削刃剝離開的碳纖維層厚度小，因此不易形成損傷。

2.2 毛刺

用毛刺存在的角度（范圍）來作為衡量孔出口質(zhì)量的一個指標，如圖1所示。α用來表示毛刺存在角度。圖2是α與加工參數(shù)的之間的關(guān)系曲線。

圖1 孔出口毛刺存在角度Fig.1 Burr exist angle at the hole exit

圖2 孔出口毛刺存在角度與進給量的關(guān)系Fig.2 Relationship between burrs exist angle and feed rate

可以發(fā)現(xiàn)，隨著f的增大α先減小后增大。二刃雙鋒角鉆頭在n=1 500 r/min時，α最小的f為20 μm/r；當(dāng)n＞3 500 r/min時，α最小的f=30 μm/r。三刃雙鋒角鉆頭在n=1 500～5 500 r/min時，α最小在f=40 μm/r附近。圓弧形鉆頭在n=1 500 r/min及5 500 r/min時，α最小的f=40 μm/r；而n=3 500 r/min時，α最小的f=20 μm/r。f＞20 μm/r時，三刃雙鋒角鉆頭的α相比另外兩種鉆頭要小，且在n=3 500 r/min，f=40 μm/r時，毛刺最少。圖3是二刃雙鋒角鉆頭在不同f下孔出口處毛刺形貌。

圖3 二刃雙鋒角鉆頭孔出口毛刺形貌（n=3 500 r/min）Fig.3 The morphology of burr exist of two-edged double point angle drill at hole exit

毛刺斷裂的位置與孔壁之間的距離是隨著f 的增加而減少的。在f=10 μm/r 時［圖3（a）］，毛刺與工件連接的地方變得很小了，有明顯斷裂的趨勢。而在f≥30 μm/r 時［圖3（b-c）］，毛刺與工件連接的地方依然強勁，沒有斷裂的趨勢。因為f=10 μm/r，鉆削軸向力較小，鉆頭突破孔底面時形成的未切削纖維厚度較小，在小軸向力下容易變形，導(dǎo)致纖維不易被切斷而成為毛刺；同時，同樣的鉆削距離f 小的刀具側(cè)刃和外緣轉(zhuǎn)角與毛刺接觸的次數(shù)多，因此毛刺與工件連接鏈接的位置變小且有斷裂的趨勢。當(dāng)f=50 μm/r時，鉆削軸向力很大，鉆頭突破孔底面時形成的未切削纖維厚度增大，同樣纖維不易被切斷，最后形成毛刺。因此，f過小和過大都容易形成毛刺。

2.3 撕裂因子

圖4是撕裂因子示意圖。撕裂因子的計算方法是：Fd=Dmax/D。圖5是孔出口撕裂因子與進給量的關(guān)系。

圖5 孔出口撕裂因子與進給量的關(guān)系Fig.5 Relationship between delamination factor and feed rate

三種鉆頭孔出口的撕裂因子隨著f 的增大先減小后增大。雙鋒角鉆頭（二刃和三刃）孔出口撕裂因子最小值出現(xiàn)在f=30 μm/r附近；在n=1 500 r/min時，圓弧形鉆頭孔出口撕裂因子最小值在f=40 μm/r 附近。f 較小時，鉆削軸向力較小，孔出口處容易成為毛刺，鉆頭往下鉆削時因毛刺的影響，使得撕裂增大；而f較大時，鉆削軸向力很大，導(dǎo)致撕裂很大。

從圖5（b）可以知道，雙鋒角鉆頭在n=3 500 r/min 和f=30～40 μm/r 時撕裂因子較小，適合鉆削CFRP 復(fù)合材料。三刃雙鋒角鉆頭在n≤3 500 r/min時的孔出口撕裂因子都小于圓弧形鉆頭的，因此在此條件下三刃雙鋒角鉆頭較適合鉆削CFRP 復(fù)合材料。從圖5（a）和（c）上發(fā)現(xiàn)，孔出口處撕裂因子大于1.4 時，孔出口都存在毛刺，毛刺與工件鏈接的位置存在很長的撕裂，毛刺的位置在θ=90°?？梢娺@種較大的撕裂都是因毛刺的形成而產(chǎn)生的。撕裂在低轉(zhuǎn)速低進給量下容易出現(xiàn)的原因是刀具往下鉆削的速度緩慢，刀尖不能有效的突破CFRP 板底層碳纖維，形成毛刺，同時也產(chǎn)生較大的撕裂。而在高轉(zhuǎn)速高進給量下出現(xiàn)的原因是刀具鉆削軸向力過大，導(dǎo)致分層出現(xiàn)的位置離板底較大，同樣不易突破板底，形成毛刺且伴隨著較大的撕裂。

3 結(jié)論

（1）三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭的孔入口都沒有出現(xiàn)損傷，而二刃雙鋒角鉆頭的孔入口有損傷。

（2）隨著f 的增大α 先減小后增大。f＞20 μm/r時，三種鉆頭中三刃雙鋒角鉆頭的毛刺最少。

（3）綜合考慮孔入口質(zhì)量和出口質(zhì)量（毛刺和撕裂因子），三刃雙鋒角鉆頭最適合鉆CFRP復(fù)合材料。