新型碳纤维复合材料孔加工刀具.doc

新型碳纤维复合材料孔加工刀具电镀金刚石复合钻1前言碳纤维增强复合材料（简称CFRP）具有比强度高、比模量高、减振性好等优点，在航空航天领域得到了广泛应用，在汽车、医疗器械、体育器械等行业的应用也日益增多。随着CFRP应用领域的扩大，解决CFRP的高精度、高效加工问题也日益迫切。为此，笔者开发了一种新型孔加工刀具电镀金刚石复合钻，可有效解决普通麻花钻加工CFRP时出现的分层和劈裂问题，并可使钻头寿命显著提高。2CFRP钻孔缺陷及改进措施一般情况下，在CFRP板材上钻孔加工时，容易产生分层、劈裂、烧伤等缺陷，其中尤以分层、劈裂对加工质量影响最大。据介绍，在AV-8B飞机的制造中，由于CFRP钻孔分层、劈裂导致的零件不合格率占全机CFRP零件不合格率的60以上1。出现分层、劈裂现象的主要原因为：（1）CFRP叠层板由碳纤维层铺叠而成，层与层之间用树脂粘结。由于CFRP是一种各向异性材料，其机械性能在不同方向各不相同，材料沿纤维铺层方向强度较高，而垂直于纤维铺层方向的强度则取决于树脂粘结强度，一般情况下，层间结合强度仅为纤维方向强度的22。（2）钻孔加工时，存在垂直于纤维铺层方向的轴向力Fz，从而在叠层板内产生正应力，当切削力产生的正应力超过树脂结合强度，则会出现树脂断裂、纤维层分层或劈裂等现象，轴向力越大，分层、劈裂现象越严重。因此，解决分层、劈裂问题的一个有效途径是减小钻削轴向力。在钻削加工中，轴向力主要受钻削参数、刀具材料和钻型等因素影响。在研制电镀金刚石复合钻时，为提高钻削效率和刀具寿命，选择了适宜的刀具材料，设计了新型钻头结构，并综合考虑了钻削参数对加工表面质量的影响。3电镀金刚石复合钻图1所示为新研制的电镀金刚石复合钻。钻头基体材料为45钢，直径78mm（工件孔径80mm），钻头锥顶角50，钻头锥体部分镀有粒度为80的金刚石，锥体部分开有两条对称螺旋状的分屑槽，起容屑、排屑作用，可避免切屑堵塞、烧伤工件。复合钻的前部有一导孔钻（材料为Y330），其直径约为加工孔径的13，外伸长度可根据CFRP板材的厚度加以调整。导孔钻起预钻孔作用，以避免钻芯处因切削速度为零而导致切削条件恶化。小直径导孔钻也会产生微小切削缺陷，但由于其直径范围小于最终孔径，可在金刚石钻头钻削过程中被切除。金刚石刀具具有刀尖锋利、多刃切削、耐磨性优异等优点，因此十分适宜于难加工材料的切削加工。如前所述，造成CFRP钻削时分层、劈裂的主要原因是钻削轴向力在加工表面形成的正应力超过了CFRP的层间结合强度。由于金刚石钻头钻削时为多刃切削，轴向力被分散，加工表面所受正应力也显著下降。此外，由于钻尖锋利，钻削时CFRP纤维断裂变形小，从而减轻了分层、劈裂程度。设计金刚石钻头时要注意以下几点：（1）基体锥顶角宜选用5060。如顶角太小，钻削时间将延长，工件易烧伤；如顶角过大，则钻削轴向力增大，工件易分层、劈裂。（2）导孔钻直径不宜过大，一般取工件孔径的13。直径太大将加重分层和劈裂。（3）应根据工件的加工要求选择金刚砂粒度。粒度粗，生产率高，刀具寿命长，切屑不易堵塞，但表面粗糙度较大；粒度细，则相反。4钻削试验试验用机床为W62X型万能铣床。试验时，将手风钻固定在铣床立铣头上，由铣床工作台提供进给运动，风钻作旋转运动。试验参数：n12000rmin，f0005mmr。试验用钻头：1：直径8mm电镀金刚石复合钻头；2：直径8mm普通硬质合金钻头。用1钻头和2钻头在上述条件下钻削厚度为4mm的CFRP板。钻削过程中的轴向力Fz和扭矩M如表1所示。加工后的孔壁表面断面金相显微照片见图2。由上表可看出，用电镀金刚石复合钻头钻削CFRP时，轴向力和扭矩均较小，分别约为普通硬质合金钻头的30和70，因此孔加工质量明显提高。从图2可以看出，用1钻头加工的工件表面无分层、劈裂现象，而2钻头加工的工件表面则有明显的分层、劈裂现象。图3为已加工孔入口出口处的照片。钻削试验结果表明，在高速、低进给的切削条件下，用电镀金刚石复合钻头钻削CFRP板材可获得非常理想的加工表面。5结论电镀金刚石复合钻头是一种新型孔加工刀具