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新型碳纤维复合材料孔加工刀具——电镀金刚石复合钻

  碳增强(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、、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——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,并可使寿命显著提高。

  2.CFRP钻孔缺陷及改进措施

  一般情况下,在CFRP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2.2%。(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7.8mm(工件孔径8.0mm),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1/3,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。

1.定位 2.钻头基体 3.分屑槽  4.金刚石钻头 5.导孔钻

图1 电镀金刚石复合钻(照片)

  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50°~60°。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1/3。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

  试验用为W62X型万能。试验时,将手固定在铣床立铣头上,由铣床提供进给运动,风钻作旋转运动。  试验参数:n=12000r/min,f=0.005mm/r。  试验用钻头:1#:直径8mm电镀金刚石复合钻头;2#:直径8mm普通钻头。  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。

钻削过程中的轴向力和扭矩表

(a)金刚石复合钻头

(b)普通硬质合金钻头

图2 孔壁金相显微照片

  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。

(a)金刚石复合钻头  (b)普通硬质合金钻头

图3 加工后孔入口出口处照片

  5.结论

  电镀金刚石复合钻头是一种新型孔加工刀具,与其它类型的金刚石刀具相比,其制造工艺简单,刀具成本低;由于具有刀尖锋利、多刃切削等优点,该钻头在高速、低进给条件下钻削CFRP板材时,基本无分层、劈裂现象,可明显提高生产率。