电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料研究

电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料研究电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料研究 月第 期总第 期金刚石与磨 磨具工程 电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材 研究 鲍永杰高航李凤全 大连 工大学精密与特种加工教育部重点实验室 大连 摘要碳纤维复合材 钻孔加工时极 产生分层 毛刺 撕裂等缺陷 是典型的难加工材 针对碳纤维复合材 特点 以电镀金刚石钻头为研究对象 从钻削轴 向 钻孔出口质 等方面分析电镀金刚石钻头钻孔特点 并与硬质 合金麻花钻进 对比 得出结论电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材 时钻削轴向 较小 钻削质 较好 适合于碳纤维复合材 的加工 钻头转速提高有利于减小钻孔缺陷的产生 钻削轴向 随钻头转速的 升高而降低 随钻头直径的增大而增大 最后 通过多元线形回归 方法得出电镀金刚石钻头钻削 经验公式 关键词碳纤维复合材 电镀金刚石钻头 钻削轴向 缺陷 伍 引言篓器髫蛊关票嚣喜篆耋兰蓑孟至 碳纤维复合材 由于具有比强度高 硬度高 耐腐的难度 严重制约 了复合材 的大规模应用 在航空 基金项目国家自然科学基金 万方数据 第 期鲍永杰等电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材 试验研究 制 造领域的铆接和固定结构件上 硬质合金麻花钻头作为一种传统的 经济有效的刀具仍然存在于生产领域 但在新型材 加工方面 硬质合金麻花钻头存在着耐用度偏低 出口 质 无法保证等瓶颈 在钻孔时 硬质合金麻花钻头的横刃首先接触复合材 横刃为负前 角切削 横刃产生的钻削 占总钻削 的 一 且随着横 刃的增大钻削 呈增大趋势 在钻孔出口处 硬质合金麻花钻头切削刃的边缘处是一个点 难以 切断直径极 硬度高 的碳纤维 这就需要研制出新型的刀具来满足生产加工的要 求 国内外的学者研究发现复合材 钻孔 分层等缺陷与钻削 密切相关 减小钻削 可以有效降低出口分层缺陷的发生 多数发表的文献和资 只将硬质合金麻花钻头的材 几何参数和进 给速度与钻孔分层等缺陷综合起来研究口面 关于电镀金刚石钻头钻孔方面的相关研究发表的较少 本文针对碳纤维复合材 特点 以电镀金刚石钻头为研究对象 并与 硬质合金麻花钻头进 对比 分别对钻削 和钻削出口质 等方面进 分析 试验设备与材 试验材 本文以碳纤维增强复合材 板为试验 材 进 钻孔试验研究 该碳纤维增强复合材 的增强体是 型碳纤维 基体材 是 一 型树脂 在预浸处 后铺层预置而成 试验时先将碳纤维复合材 板用电镀金刚石锯片切割成大小为 的矩形 其具体参数如表 所示 表 碳纤维复合材 性能表 材 参数 增强材 基体材 铺层形式纤维体积比试验板厚度 一 试验设备为进 碳纤维复合材 的 钻削试验 研究刀具在 同工艺参数下对钻削 和钻孔质 的影响 搭建了高速钻 削试验台 系统流程图如图 所示 该系统由机床部分和钻削 测 系统组成 钻削 测 系统由钻削测 仪 电荷放大器 信号采集卡和一台 计算机等组成 钻削测 仪采用大连 工大学机械工程学院传感测控研究所研制的 无定心钻削测 仪 采用压电石英式 传感器 可用来测 钻削扭矩和钻削轴向 电荷放大器型号为 在钻削试验时 测 仪内的压电石英传感器将钻削扭矩和轴向 转换 成相应大小电的荷值 并由电荷放大器和 信号采集卡将其转 化成数值信号 供计算机进 记录和数据分析处 在钻削试验时 测 仪得到的钻削 由计算机记录和分析处 为提高试验数据的准确性 每个试验重复两次 网 电 三 荷 信钻削测 仪匹写放争号粈磤机钻削测 系统原 示意图 试验使用的刀具试验均采用干式切削 主轴转速 为 和 四种转速 进给速度 采用 和 试验中采用硬质合金麻花钻头镀金刚石钻头两种刀具 其直径分别 为 和 两种规格 如图 所示 使质合金麻花钻头 电镀金刚石钻头试验刀具的照片图万方数据 金刚石与磨 磨具工程总第 期 试验结果与分析 钻 削出口质 的对比分析钻孔出 口的照片观察如图 所示 图 为硬质合金麻花钻头在转速为 进给速 度为 参数下出口照片的图 图 为相同参 数下电镀金刚石钻头钻孔的出口照片图 以出口毛刺数 为标准评价 出口质 图 中毛刺的数 大于图 中出口毛刺的数 图 为硬质合金麻花钻头在机床的主轴转速 进给速度为 参数出口照片图 图 为相同参 数下电镀金刚石钻头钻孔的出口照片图 其中图 中毛刺的数 要 少于图 毛刺的数 通过上面的分析 这说明电镀金剐石钻头钻孔可以有效抑制毛刺缺 陷的产生 对比图 和图 图 中出口毛刺的数 远大于图 中出口 毛刺的数 这说明提高主轴转速 可以减少毛刺缺陷的产生 钻削 的对比与分析将试验中电镀金刚石钻头和硬质合金麻花 钻头二者的钻削轴向 特征曲线进 对比如图 所示 可以看出两者 钻削轴向 特征曲线的 同 硬质合金麻花钻头的钻削轴向 特征曲线呈三角形特征 当钻头钻透 复合材 板时钻削轴向 逐渐下降 电镀金刚石钻头的钻削轴向 特征 曲线呈矩形波特征 当钻头钻穿复合材 板时 钻削轴向 迅速下降 为零 硬质合金麻花钻头在进 钻孔时 横刃的负前角切削使得切削 急剧 增大 电镀金刚石钻头钻削轴向时 有大 的切削刃参与切削 使得 钻削轴向 较小 从图 的钻削轴向 对比也可以看出 电镀金刚石钻头比硬质合金麻 花钻头获得 小的钻削轴向 因此也 容 产生分层缺陷 对钻削 进给速度是影响复合材 钻孔质 的一个重要的切削参数 研究表明在对材 进 钻削时 随着进给速度的增加轴向 会显著增大 在图 中 轴向 随进给速度变化而变化的趋势如下试验中两种类型 的钻头产生钻削轴向 均随着进给速度的增加呈现明显增大趋势 电镀金刚石钻头比硬质合金麻花钻头产生钻削轴向 的增加值小 按照钻削轴向 的值 对分层缺陷的特征进 分析 在三种 同的进给速度 在钻头相同直径条件下 电镀金剐石钻头产 生的钻削轴向 均小于硬质合金麻花钻头产生的钻削轴图 钻孔出口 图 向 即 电镀金刚石钻头的钻削性能要优于硬质麻花钻头 刀具直径对钻削轴向 的影响趋势如图 所示 万方数据第 期鲍永 杰等电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材 试验研究 采样点 硬质合金麻花钻头钻削 轴向 特征圈 咖 采 点 电馈台刚石钻头钻削轴向 特征用图 同刀具钻 削轴向 随时间变化特征图根据钻头直径的 同 对钻削 图中相同进 给速度下的钻削轴向 值进 分析图 中曲线表明 硬质合金麻花钻 头直径对于钻削轴向 的影响显著 随着直径增加硬质合金麻花钻头 较电镀金刚石钻头钻削轴向 的增加值要大 因此也 容 产生分层缺 陷 图 两种类型刀具 同进给速度下轴向 图以主轴转速变化为参数 分析其对钻削轴向 的影响如图 所示 进给速度为 主轴转速在 范围内 钻削轴向 的曲线图 图中钻削轴向 随着主 轴转速的增加呈递减趋势 在图 中 直径为 电镀金刚石钻头产生的 值曲线 在直径为 硬质合金麻花钻头产生的 值曲线的下方 对比直径为 电镀金刚石钻头产生的 值曲线 与直径为 硬质合金麻花钻头产生的 值曲线 也得到结论电镀金刚石钻头比硬 质合金麻花钻头产生的钻削轴向 小 表明在主轴转速在 范围内电镀金刚石钻头的钻削性能最优 杂 萎 钻头转 速 图 两种类型刀具 同转速轴向 图观察图 中出 口分层缺陷的大小 并结合钻削轴向 的值对出口分层缺陷进 分析 从图 可以看出 对应参数下电镀金刚石钻头与硬质合金麻花钻头 产生的钻削轴向 相差较大 产生较大钻削轴向 的硬质合金麻花钻 头在出口图上产生的钻削出口分层的面积大于电镀金刚石钻头钻削 产生分层的面积 通过 同切削参数下的对切削 钻孔缺陷的对比分析得出电镀金刚 石钻头比硬质合金麻花钻头产生 小的钻削轴向 和钻削出口缺陷 用于复合材 的钻孔加工可以获得 好的加工效能 钻削 半经验公式的推导分析切削参数 钻头直径 进给速 度和主轴转速 对复合材 钻削时钻削轴向 的影响 对试验得到的 数据进 方差分析 并推出钻削轴向 的半经验公式 用得到的公式代入相应的参数 就可以计算钻削时所产生的轴向 实现预测钻削出口缺陷大小的目的 一般的三元线性回归关系式如公式 所示 口 口 茗 口 石 因此 将本试验中切削参数与钻削轴向 的 关系式记为 其中 为经验常数 这个常数决定钻 削轴向 的值 厂和 分别指钻头直径 进给速度万方数据 金刚石与磨 磨 具 程总第 期和主轴转速三个切削参数 计算得到电镀金刚石钻头钻削轴向 公式如下 乒 一 一 校正判定系数 是判断线性回归直线拟合度的重要指标 判定系 数尺越接近 说明拟合效果越好 参数 凡对切削 的相关系数为 表示参数与切削 的相关程度 其值越接近 说明该参数 对公式的作用越显著 回归模型校正 判定系数值和参数 相关系数的值见表 所示 刀具产生钻向 计算公式的相关系数尺均大于 说明采用该公 式计算能够获得较准确的结果 采用得出半经验公式对实际钻削轴向 的模拟计算 通过计算得到的 钻削轴向 来预测复合材 钻孔出口分层 撕裂等缺陷的大小 表 回归分析数据表 电镀金刚石钻头巳 结论本文就新型刀具和传统 刀具 在复合材 时加工试验方面进 了钻孔效果和钻削轴向 的对比 分析 通过分析 得出如下结论 对钻削 钻削质 的对比可知 在 相同条件下与硬质合金麻花钻对比 电镀金刚石钻头钻削碳纤维复 合材 时 钻削轴向 较小 钻削质 较好 适合于碳纤维复合材 加 工 提高钻头转速有利于减小钻孔缺陷的产生 钻削轴向 随钻头 转速的增加而减小 随钻头直径增大而增大 钻削轴向 和切削参数之间的关系可以通过线性回归分析法得 出 在此基础上推得钻削轴向 的半经验公式 该半经验公式用来计算某 个具体切削参数下的轴向 从而达到预测钻削出口质 的目的 参考文献 汪裕炳 张全纯 复合材 的结构连接 京国防工业出版社 一 张厚江 陈五一 陈鼎昌 碳纤维复合材 切削机 的研究 航空制造技术 作者简介 鲍永杰 男 大连 工大学机械学院博士生 研究专业机械制造与自动化 修回日 期 一 张慧 万方数据电镀金刚石钻头钻削 碳纤维复合材料研究作者鲍永杰 高航 李凤全 Bao Yongjie Gao Hang Li Fengquan大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 大连 116 024刊名金刚石与磨料磨具工程英文刊名DIAMOND ABRASIVES ENGINEERING年 卷 期 xx 3 引用次数0次参考文献 6条 1 汪裕炳 张全纯复合材料的结构连 接19922 HochengH Tsao CCEffects ofspecial drillbits ondrilling induced delaminationof positematerialsxx 12 13 3 Tsao CC Experimentalstudy ofdrilling positematerials withstep core drillxx 9 4 Jin ZJ Bao YJ Gao HDisfigurement formationand controlin drillingcarbon fibrereinforcedpositesxx 1 5 Karnik SR Gaitonde VN Delaminationanalysis inhigh speeddrilling ofcarbon fiberreinforcedplastics usingartificial neuralwork modelxx 9 6 张厚江 陈五一 陈鼎昌碳纤维复合材料切削机理的研究 期刊 论文 航空制造技术xx 7 相似文献 2条 1 学位论文孟宪超碳纤维复合材料钻孔加工工艺 研究xx本文以碳纤维复合材料的二元切削为对象 在分析了碳纤维 复合材料在切削过程中的切削变形 切屑形成等问题基础上 针对其中一种切削变形方式 对二元切削的切削力进行了理论推导 并对钻削过程中产生的轴向力进行了理论推导 给出了各个钻削参 数与轴向力之间的关系 搭建了复合材料高速钻削试验系统 该试验系统可完成不同切削速度及不同进给量下钻削碳纤维复合材 料的钻削力测定 钻头磨损及耐用度测定 钻型比较等试验 也可 用于其他种类复合材料的高速钻削试验研究 在高速钻削试验装置上进行高速钻削试验 比较了实际现场钻削和 高速钻削碳纤维复合材料的钻削力和加工质量 自行设计和制作了电镀金刚石钻头 与普通的硬质合金钻头做了钻 削力对比试验 得出了许多有用的结论 分析了电镀金刚石工具切削纤维复合材料的特点 利用电镀金刚石 钻头对碳纤维复合材料高速钻削时的钻削力进行了试验研究 探讨 了切削参数变化对钻削力的影响 建立了主轴转速 进给速度 钻 头直径影响的钻削力经验公式 利用电子显微镜对碳纤维复合材料钻孔后的孔壁表面微观形态 孔 的出入口的加工缺陷进行观察分析 研究了碳纤维复合材料的微观 破坏机理 并根据试验结果讨论了钻削参数变化对加工缺陷的影响 提出的解决的办法 并对刀具磨损进行了观察分析 得到了许多有益的结论 2 学位论文李凤全碳纤维复合材料制孔缺陷及对策的试验研究xx碳 纤维复合材料 CFRP 作为一种先进的复合材料 具有重量轻 模量 高 比强度大 热膨胀系数低 耐热冲击 耐腐蚀 吸振性好等一 系列优点 广泛应用于航空 航天和国防领域及汽车 电子信息和 高速机械等民用领域 CFRP由于具有强度大 各向异性 导热性差等特点 尤其是其层间 强度低 切削时在切削力的作用下容易产生分层 撕裂等缺陷 钻 孔时最为严重 加工质量难以保证 是典型的难加工材料 本文针对碳纤维增强复合材料钻削缺陷问题开展了理论分析与试验 研究 对钻削过程 钻削力 刀具磨损堵塞等问题进行了试验研究 研究工作和取得的成果如下 1 通过对碳纤维复合材料钻削常