涂層鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料的軸向力研究

魏良耀 程 寓

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）已經(jīng)發(fā)展成為繼鋁、鋼、鈦之后的第4大航空結(jié)構(gòu)材料［1］。且在土木建筑、軍事工業(yè)、電子通信和體育醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

鉆孔是碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的重要加工工序之一，連接孔的加工質(zhì)量直接關(guān)系到構(gòu)件間的裝配質(zhì)量和壽命，通常孔的加工數(shù)量大。CFRP的各向異性、層間結(jié)合強(qiáng)度低和脆性大等性能在鉆孔時(shí)容易產(chǎn)生撕裂、起毛、分層等缺陷，而CFRP的高硬度、高強(qiáng)度及導(dǎo)熱性差等性能對(duì)切削刀具要求較高，屬于典型的難加工材料。研究表明鉆削軸向力與孔壁分層、出入口撕裂等缺陷有著直接關(guān)系，軸向力增大，各類(lèi)孔加工缺陷也增加。因此研究軸向力的影響因素對(duì)減小軸向力，改善加工質(zhì)量有很大幫助［2－4］。

目前國(guó)內(nèi)外鉆削CFRP的鉆頭還是以麻花鉆為主。V．N．Gaitonde使用 K20硬質(zhì)合金鉆頭鉆削CFRP，研究了切削參數(shù)對(duì)軸向力與分層的影響［5］。Tsao和HoCheng分析和預(yù)測(cè)了分層開(kāi)始的臨界推力，測(cè)量不同形狀鉆頭對(duì)軸向力的影響程度［6］。趙建設(shè)、李仲平、張厚江等人研究了不同直徑的YG6X鉆頭在多種切削參數(shù)下對(duì)軸向力和制孔質(zhì)量的影響［7－8］;熊?chē)?guó)雄、于曉江等人研究了Y330類(lèi)硬質(zhì)合金鉆頭對(duì)軸向力及制孔質(zhì)量的影響，魏威、韋紅金研究了鉆頭材料、后角、轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度對(duì)軸向力和鉆頭磨損之間的關(guān)系［1，9－10］。

之前的報(bào)道多局限于研究主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、被加工工件的厚度以及鉆頭形狀（麻花鉆和金剛石套料鉆）、鉆頭的磨損程度等對(duì)軸向力的影響。普通硬質(zhì)合金鉆頭鉆削CFRP不僅軸向力大，鉆頭磨損嚴(yán)重，而且加工質(zhì)量不穩(wěn)定。近年來(lái)各種涂層刀具的相繼出現(xiàn)，對(duì)加工CFRP的刀具材料的選擇提供了一種新方向。

1 鉆削軸向力的來(lái)源和破壞

從加工角度講，造成CFRP孔加工缺陷的原因主要是鉆削力和鉆削熱，但前者的作用占絕對(duì)主要成分。鉆削軸向力主要有3個(gè)來(lái)源:克服工件材料彈性變形的抗力;克服纖維斷裂和基體剪切的抗力;克服切屑對(duì)前刀面的摩擦阻力和后刀面與已加工表面之間的摩擦阻力。

鉆孔過(guò)程中，軸向力始終加載在材料表面上，產(chǎn)生一定的層間應(yīng)力和交變應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力大于材料的層間結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生分層破壞。孔出口側(cè)最外層纖維不是立即被切斷而是在軸向力的作用下向外退讓。若主切削刃不夠鋒利，不能及時(shí)切斷纖維，則在出口處產(chǎn)生撕裂和起毛缺陷。軸向力越大，各類(lèi)孔加工缺陷也越大。

本文主要從鉆頭材料的角度研究不同涂層對(duì)軸向力的影響。

2 試驗(yàn)

2．1 鉆頭基體材料及涂層的選擇

碳纖維的硬度高達(dá)800 HV，相當(dāng)于高速鋼的硬度，且CFRP的導(dǎo)熱性差，切削區(qū)域溫度高容易導(dǎo)致鉆頭發(fā)生退火，加速鉆頭磨損。提高鉆頭的耐磨性和減小鉆頭與工件間的摩擦系數(shù)，改善散熱條件都能減小軸向力，從而提高加工質(zhì)量。硬質(zhì)合金的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高速鋼，且YG類(lèi)合金的強(qiáng)度、韌性和熱導(dǎo)率都高于YT類(lèi)，細(xì)晶粒合金在含鈷量相同時(shí)比中晶粒合金的硬度和耐磨性要高些。本次試驗(yàn)采用YG6X作基體材料。

目前常用的涂層材料主要有 TiC、TiN、TiCN、TiAlN、Al2O3和金剛石涂層。由于CFRP層合特性在加工過(guò)程中不宜使用冷卻液，多數(shù)采用干切削加工。TiAlN（3 500±500 HV）和TiCN（2 000～3 000 HV）涂層是兩種較好的適合高速干切削的涂層，且摩擦系數(shù)較小。類(lèi)金剛石膜（DLC）是一種由碳元素組成的非晶態(tài)碳膜，具有高硬度，耐磨性和小摩擦系數(shù)等性能，是一種優(yōu)異的表面抗磨損改性膜很適合作耐磨涂層。因此本次試驗(yàn)選擇TiAlN、TiCN和DLC作涂層材料。

2．2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在KVC1050N加工中心上無(wú)墊板鉆削10 mm厚的高溫、固化、平紋和交織的碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。鉆頭為奇峰工具廠生產(chǎn)的直徑12 mm的YG6X鉆頭、TiAlN涂層鉆頭、TiCN涂層鉆頭和SANDVIK生產(chǎn)的DLC涂層鉆頭。由于是干切削加工，因此在加工區(qū)域附近安裝吸塵口，及時(shí)吸走大量粉塵。軸向力測(cè)定系統(tǒng)包括YDX－Ⅲ9702壓電式傳感器，YE5850電荷放大器，A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡和計(jì)算機(jī)。鉆削軸向力測(cè)定系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2．3 鉆孔實(shí)驗(yàn)方案

本次采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其因素水平設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)的因素水平表

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 正交試驗(yàn)的結(jié)果

軸向力的變化可分為3個(gè)階段:首先是隨著主切削刃的深入不斷增大;其次是主切削刃完全切入工件，軸向力保持穩(wěn)定狀態(tài);最后是隨著切削刃的切出而減小，直到為零。軸向力的整個(gè)變化規(guī)律如圖2所示。

正交試驗(yàn)的試驗(yàn)方案采用L16（45），結(jié)果如表2～4所示，F(xiàn)Zmax是在橫刃鉆出下表面處選取（此處最容易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷）。由結(jié)果可知鉆削力的變化范圍很大，最大為203 N，最小為53.5 N。

表2 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

表3 直觀分析

表4 方差分析

3．2 正交試驗(yàn)分析

因?yàn)锽×C的均方小于空格的均方，被歸類(lèi)到誤差中。

由直觀分析和方差分析都可得出A、B、C這3個(gè)因素的水平變動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著的影響。由kA1＞kA3＞kA2＞kA4可得出A4為A因素的優(yōu)水平。同理，可以確定B3、C1分別為B、C因素的優(yōu)水平。3個(gè)因素的優(yōu)水平組合A4B3C1為本次實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)水平組合，即最優(yōu)的工藝條件為使用DLC涂層鉆頭，主軸轉(zhuǎn)速5 500 r/min和進(jìn)給速度24 mm/min。

根據(jù)極差RA＞RB＞RC和F檢驗(yàn)FA＞FB＞FC可得各因素對(duì)軸向力影響的主次順序，即A＞B＞C。所以本次試驗(yàn)中鉆頭材料影響最大，其次是主軸轉(zhuǎn)速，最后是進(jìn)給速度。

3．3 鉆頭材料對(duì)軸向力及出口質(zhì)量的影響

圖3為YG6X硬質(zhì)合金鉆頭，TiALN、TiCN和DLC涂層鉆頭對(duì)軸向力的影響。

由圖3和表3可得出，TiAlN涂層鉆頭的平均軸向力比YG6X要小20．3%;TiCN涂層鉆頭的平均軸向力比YG6X的小15．4%。DLC涂層鉆頭的平均軸向力最小，比YG6X鉆頭降低47．7%。

涂層鉆頭結(jié)合了基體與涂層材料兩者的優(yōu)點(diǎn)。由于硬質(zhì)涂層的硬度高、摩擦系素小、與工件間的親和力小，切削過(guò)程中，在很大程度上提高耐磨性、耐熱性和抗高溫氧化性，減小切削力。從表5中可以看出DLC鉆頭的加工質(zhì)量最好，出口側(cè)的撕裂和起毛缺陷最小，且孔壁表面光滑，而其他鉆頭的出口表面都伴有明顯的撕裂及起毛缺陷，孔壁粗糙，有顯著的切痕。

表5 部分孔出口質(zhì)量

3．4 鉆削參數(shù)對(duì)軸向力的影響

從圖4中可以得出軸向力隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而減小，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高到一定程度時(shí)，軸向力有回升趨勢(shì)。主軸轉(zhuǎn)速提高，實(shí)際切削面積減小，軸向力減小。軸向力在6 500 r/min時(shí)回升可能有兩種原因:一是在高轉(zhuǎn)速下，機(jī)床的振動(dòng)加大，導(dǎo)致實(shí)際切削面積也增大，必然會(huì)導(dǎo)致切削力的增大;另一原因是在高速下產(chǎn)生大量的切削熱，樹(shù)脂基體在承受200～300℃時(shí)發(fā)生軟化，軟化的樹(shù)脂粘附在鉆頭切削刃上，使切削刃變鈍，因而也會(huì)導(dǎo)致切削力的增大。

如圖5所示，軸向力隨著進(jìn)給速度的增加而增大。進(jìn)給速度增大，則每轉(zhuǎn)進(jìn)給量增大，必然導(dǎo)致切削面積的加大，切削刃與工件的摩擦加劇，最終導(dǎo)致軸向力的增大。

3．5 鉆頭的磨損情況

圖6為試驗(yàn)結(jié)束后主切削刃后刀面的磨損情況。

YG6X鉆頭有輕微的磨損。TiAlN和TiCN鉆頭主切削刃的后刀面有不同程度的磨粒磨損，主切削刃外緣部分的磨損最為嚴(yán)重:一是因?yàn)橥饩壒拯c(diǎn)處涂層與基體的結(jié)合力最為薄弱，二是拐點(diǎn)處切削速度和溫度最高，切削環(huán)境最為惡劣，受硬質(zhì)點(diǎn)的摩擦最為劇烈。DLC鉆頭基本沒(méi)有出現(xiàn)磨損，充分體現(xiàn)出DLC鉆頭的優(yōu)異切削性能。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本次試驗(yàn)中涂層材料對(duì)軸向力的影響最大，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響。

（2）使用涂層鉆頭可有效減小軸向力。與YG6X鉆頭的鉆削軸向力相比:TiAlN涂層鉆頭減小20．3%;TiCN涂層鉆頭減小15．4%;DLC鉆頭減小47．7%，加工質(zhì)量最優(yōu)。

（3）軸向力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加先減小后增大，隨著進(jìn)給速度的增加而增大。

（4）YG6X鉆頭、TiAlN和TiCN涂層鉆頭都有不同程度的磨損，DLC鉆頭的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它鉆頭。

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