1.前言

碳纖維增強復合材料(簡稱CFRP)具有比強度高、比模量高、減振性好等優點,在航空航天領域得到了廣泛應用,在汽車、醫療器械、體育器械等行業的應用也日益增多。隨著CFRP應用領域的擴大,解決CFRP的高精度、高效加工問題也日益迫切。為此,筆者開發了一種新型孔加工
刀具——電鍍金剛石復合鉆,可有效解決普通麻花鉆加工CFRP時出現的分層和劈裂問題,并可使鉆頭壽命顯著提高。

2.CFRP鉆孔缺陷及改進措施

一般情況下,在CFRP板材上鉆孔加工時,容易產生分層、劈裂、燒傷等缺陷,其中尤以分層、劈裂對加工質量影響最大。據介紹,在AV-8B飛機的制造中,由于CFRP鉆孔分層、劈裂導致的零件不合格率占全機CFRP零件不合格率的60%以上[1]。

出現分層、劈裂現象的主要原因為:(1)CFRP疊層板由碳纖維層鋪疊而成,層與層之間用樹脂粘結。由于CFRP是一種各向異性材料,其機械性能在不同方向各不相同,材料沿纖維鋪層方向強度較高,而垂直于纖維鋪層方向的強度則取決于樹脂粘結強度,一般情況下,層間結合強度僅為纖維方向強度的2.2%。(2)鉆孔加工時,存在垂直于纖維鋪層方向的軸向力Fz,從而在疊層板內產生正應力,當切削力產生的正應力超過樹脂結合強度,則會出現樹脂斷裂、纖維層分層或劈裂等現象,軸向力越大,分層、劈裂現象越嚴重。

因此,解決分層、劈裂問題的一個有效途徑是減小鉆削軸向力。在鉆削加工中,軸向力主要受鉆削參數、刀具材料和鉆型等因素影響。

在研制電鍍金剛石復合鉆時,為提高鉆削效率和刀具壽命,選擇了適宜的刀具材料,設計了新型鉆頭結構,并綜合考慮了鉆削參數對加工表面質量的影響。

3.電鍍金剛石復合鉆

圖1所示為新研制的電鍍金剛石復合鉆。鉆頭基體材料為45鋼,直徑7.8mm(工件孔徑8.0mm),鉆頭錐頂角50°,鉆頭錐體部分鍍有粒度為80#的金剛石,錐體部分開有兩條對稱螺旋狀的分屑槽,起容屑、排屑作用,可避免切屑堵塞、燒傷工件。復合鉆的前部有一導孔鉆(材料為Y330),其直徑約為加工孔徑的1/3,外伸長度可根據CFRP板材的厚度加以調整。導孔鉆起預鉆孔作用,以避免鉆芯處因切削速度為零而導致切削條件惡化。小直徑導孔鉆也會產生微小切削缺陷,但由于其直徑范圍小于最終孔徑,可在金剛石鉆頭鉆削過程中被切除。

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1.定位螺栓2.鉆頭基體3.分屑槽
4.金剛石鉆頭5.導孔鉆
圖1電鍍金剛石復合鉆(照片)

金剛石刀具具有刀尖鋒利、多刃切削、耐磨性優異等優點,因此十分適宜于難加工材料的切削加工。如前所述,造成CFRP鉆削時分層、劈裂的主要原因是鉆削軸向力在加工表面形成的正應力超過了CFRP的層間結合強度。由于金剛石鉆頭鉆削時為多刃切削,軸向力被分散,加工表面所受正應力也顯著下降。此外,由于鉆尖鋒利,鉆削時CFRP纖維斷裂變形小,從而減輕了分層、劈裂程度。

設計金剛石鉆頭時要注意以下幾點:

(1)基體錐頂角宜選用50°~60°。如頂角太小,鉆削時間將延長,工件易燒傷;如頂角過大,則鉆削軸向力增大,工件易分層、劈裂。
(2)導孔鉆直徑不宜過大,一般取工件孔徑的1/3。直徑太大將加重分層和劈裂。
(3)應根據工件的加工要求選擇金剛砂粒度。粒度粗,生產率高,刀具壽命長,切屑不易堵塞,但表面粗糙度較大;粒度細,則相反。

4.鉆削試驗

試驗用機床為W62X型萬能銑床。試驗時,將手風鉆固定在銑床立銑頭上,由銑床工作臺提供進給運動,風鉆作旋轉運動。

試驗參數:n=12000r/min,f=0.005mm/r。
試驗用鉆頭:1#:直徑8mm電鍍金剛石復合鉆頭;2#:直徑8mm普通硬質合金鉆頭。

用1#鉆頭和2#鉆頭在上述條件下鉆削厚度為4mm的CFRP板。鉆削過程中的軸向力Fz和扭矩M如表1所示。加工后的孔壁表面斷面金相顯微照片見圖2。

鉆削過程中的軸向力和扭矩表
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