平前刀面麻花鉆鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的試驗(yàn)研究

許松嶺 劉禮平

摘 要

本文采用7把不同結(jié)構(gòu)的平前刀面麻花鉆對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）進(jìn)行了鉆孔試驗(yàn)，在軸向力和出口分層損傷方面進(jìn)行了分析，以此研究平前刀面麻花鉆前角的變化對(duì)CFRP加工質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：平前刀面麻花鉆的軸向力和出口分層因子隨著前角的增大而不斷減小。

關(guān)鍵詞

平前刀面麻花鉆;碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;軸向力;分層損傷

中圖分類號(hào)： V261 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.031

Abstract

In this paper，seven different structured flat rake face drills were used to drill carbon fiber reinforced composite（CFRP）.The thrust force and exit delamination damage were analyzed，so as to study the influence of the change of the rake angle on the processing quality of CFRP.The results show that the thrust force and delamination factor at the exit decreased with the increase of rake angle.

Key Words

Flat rake face drill;Carbon fiber reinforced composite;Thrust force; Delamination

0 引言

CFRP具有優(yōu)良的力學(xué)性能，在航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。但其鉆削加工時(shí)，在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、毛刺、纖維拔出等損傷[2]。

分層損傷是所有加工缺陷中最嚴(yán)重的一種，降低了部件的裝配精度[3]。賀虎[4]研究發(fā)現(xiàn)軸向力的推擠作用對(duì)分層損傷有重要影響。鉆削過(guò)程中的軸向力嚴(yán)重影響著分層損傷的大小[5]。陳爾濤等[6]對(duì)復(fù)合材料鉆削過(guò)程中的軸向力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)大前角有利于切削，可以減小軸向力。

在CFRP的傳統(tǒng)鉆削加工過(guò)程當(dāng)中，高效的切削刀具對(duì)提高CFRP的鉆削質(zhì)量具有重要影響。本文用平前刀面麻花鉆研究了前角的變化對(duì)CFRP加工質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用CFRP層合板作為工件材料，其尺寸為75mm×65mm×6mm，增強(qiáng)體材料是T800型碳纖維，CFRP層合板共鋪設(shè)11層，材料的上下兩表層是由0°/90°的纖維相互交織而成的，其內(nèi)部鋪層方式是[0/45/0/-45/0/-45/0/45/90]。

1.2 試驗(yàn)刀具

本試驗(yàn)采用7把直徑為6mm，頂角為118°，螺旋角為30°的平前刀面麻花鉆，其前刀面為平面，每把平前刀面麻花鉆的前角為正值，且固定不變，刀具的前角分別為26°，30°，34°，38°，42°，46°，50°。

1.3 試驗(yàn)平臺(tái)

本試驗(yàn)平臺(tái)包括數(shù)控車床、高速主軸、安裝墊板、精密進(jìn)給平臺(tái)、測(cè)力傳感器、動(dòng)態(tài)測(cè)試儀、計(jì)算機(jī)等。變頻控制器對(duì)高速主軸進(jìn)行精確控制。軸向力信號(hào)的采集通過(guò)TST5912E動(dòng)態(tài)測(cè)試儀。鉆削完成后，采用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡對(duì)加工孔的表面形貌進(jìn)行觀察。

1.4 分層評(píng)定

本文采用傳統(tǒng)分層因子的定義方式，即分層損傷區(qū)域的最大直徑和孔的名義直徑（鉆頭的直徑）的比值，則分層因子Fd的表達(dá)式為：

Fd=Dmax / D

式中：Dmax為分層損傷區(qū)域的最大直徑;D為孔的名義直徑

1.5 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)在主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min，進(jìn)給速度為150mm/min的條件下，用26°、30°、34°、38°、42°、46°、50°平前刀面麻花鉆分別對(duì)CFRP層合板進(jìn)行鉆削。每組參數(shù)進(jìn)行兩次鉆削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果取兩次實(shí)驗(yàn)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 軸向力分析

在復(fù)合材料加工過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的軸向力對(duì)鉆孔質(zhì)量具有重要影響，復(fù)合材料層合板的很多缺陷是由于軸向力過(guò)大產(chǎn)生的，減小軸向力可以有效避免分層、撕裂的產(chǎn)生[5]。圖1是平前刀面麻花鉆前角的變化對(duì)軸向力影響的圖像，主軸轉(zhuǎn)速4000r/min，進(jìn)給速度150mm/min。從圖中可以看出隨著刀具前角的增大，軸向力不斷減小。這主要是因?yàn)槠角暗睹媛榛ㄣ@的主切削刃為正前角，可以對(duì)材料進(jìn)行有效的切削，隨著刀具前角的增大，切削刃更加鋒利，在切削CFRP層合板時(shí)，材料的變形減小，故軸向力不斷減小[6]。

2.2 出口分層分析

圖2是平前刀面麻花鉆前角的變化對(duì)出口分層因子影響的圖像，主軸轉(zhuǎn)速4000r/min，進(jìn)給速度150mm/min。從圖中可以看出隨著刀具前角的增大，出口分層因子不斷減小。這主要是因?yàn)殡S著刀具前角的增大，切削刃更加鋒利，有利于對(duì)CFRP層合板的切削，致使軸向力不斷減小，故出口分層因子不斷減小[6]。

3 結(jié)論

本文在主軸轉(zhuǎn)速4000r/min，進(jìn)給速度150mm/min的條件下，用7把不同鉆頭對(duì)CFRP層合板進(jìn)行了鉆削試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論。

1）平前刀面麻花鉆的軸向力隨著前角的增大而不斷減小，刀具前角的增大，有利于對(duì)CFRP層合板的切削。

2）平前刀面麻花鉆的出口分層因子隨著前角的增大而不斷減小，刀具前角的增大，有利于對(duì)CFRP層合板的切削。

致謝：

該項(xiàng)目獲得中央高?；A(chǔ)科學(xué)研究基金（3122019081）資助。

參考文獻(xiàn)

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