三種鉆頭鉆削CFRP的制孔損傷對比

邱新義 李鵬南 陳安華 牛秋林 劉 峰

（1 湖南科技大學機電工程學院，湘潭 411201）

（2 湖南科技大學機械設備健康維護省重點實驗室，湘潭 411201）

文 摘 采用二刃雙鋒角鉆頭、三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭在不同加工參數下鉆削CFRP，對比分析了孔入出口質量（入口損傷、毛刺和出口撕裂），并采用毛刺存在角度來衡量毛刺的多少。結果表明：隨著進給量的增大毛刺存在的角度（范圍）α 先減小后增大；綜合考慮孔入口和出口質量（毛刺和撕裂因子），三刃雙鋒角鉆頭最適合鉆CFRP。

0 引言

CFRP 的鉆削加工容易在表面產生許多獨特的特征，例如裂紋、毛刺、纖維拉出和分層等［1-2］，是一種公認的難加工材料［3］。孔入出口分層是最主要的損傷，這類型的損傷影響零件的裝配質量和使用壽命［4］。

毛刺和撕裂通常發生在鉆孔的入口和出口兩處，毛刺和撕裂對裝配精度影響較大［5-7］，近年來愈加引起研究者的興趣。入口和出口分層的機理不同，分別為鉆孔入口處的剝離和鉆孔出口處的推出［8］。剝離是在鉆頭螺旋槽斜面產生的軸向剝離力作用下出現的，而推出分層是在軸向推力作用下產生的。推出分層比剝離分層嚴重很多。在過去的20年，許多學者對CFRP 板的鉆孔進行了大量研究，如各種類型的鉆頭（麻花鉆［9］、階梯鉆［10］、三尖鉆［9］、雙鋒角鉆頭［11］、匕首鉆［7］）、刀具的幾何參數（直徑［12］、鉆尖角［13］、螺旋角［14］、橫刃長度［15］）及刀具的材料［16］對分層的影響。切削參數［4］對分層的影響主要集中在主軸轉速和進給量的研究上，主軸轉速對分層的影響較小，而進給量對分層的影響較大。橫刃長度減少、鉆尖角減少有利于減少孔出口損傷［15］。

在許多研究中發現雙鋒角鉆頭鉆削CFRP 有減小軸向切削力和分層的優勢［10］。以往的研究主要關注的是二刃雙鋒角鉆頭鉆削CFRP，對多刃雙鋒角鉆頭和多鋒角鉆頭（圓弧形鉆頭）的研究很少。本文對比分析二刃雙鋒角鉆頭、三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭（相當于多鋒角鉆頭）鉆削CFRP 單向板的孔質量（入口損傷、毛刺、出口撕裂），擬為復合材料專用鉆削刀具的開發提供理論基礎。

1 實驗設計

材料選用T800S/250F 單向層合板，規格為200 mm×200 mm×4.9 mm，碳纖維的體積分數為60%。刀具是硬質合金鉆頭，鉆頭直徑為6 mm。試驗為全因素實驗，主軸轉速（n）的取值范圍1 500～5 500 r/min，進給量（f）的取值范圍10～55 μm/r。三種鉆頭的螺旋角為35°，鉆尖角為120°。加工在四川長征機床廠生產的KVC800/1 數控加工中心上完成實驗。鉆削后采用超景深三維顯微系統（型號：KEYENCE VHX-500FE）來觀測孔入出口質量。

2 結果及分析

2.1 入口損傷

表1是三種鉆頭鉆削孔入口形貌。定義θ 為切削速度與纖維方向之間的夾角。二刃雙鋒角鉆頭在f≥30 μm/r時，孔入口側出現了分層損傷，損傷出現在θ 為90°～180°。f 增大損傷的程度也增大。原因是f增大，被切削層厚度增大，主切削刃剝離開的碳纖維層厚度增大，不容易被切斷，造成損傷增大。三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭的孔入口都沒有出現損傷。其原因是三刃雙鋒角鉆頭的切削刃有三條，每轉f相同的情況下，每齒f 比二刃雙鋒角鉆頭的小，主切削刃剝離開的碳纖維層厚度小，因此不易形成損傷。

2.2 毛刺

用毛刺存在的角度（范圍）來作為衡量孔出口質量的一個指標，如圖1所示。α用來表示毛刺存在角度。圖2是α與加工參數的之間的關系曲線。

圖1 孔出口毛刺存在角度Fig.1 Burr exist angle at the hole exit

圖2 孔出口毛刺存在角度與進給量的關系Fig.2 Relationship between burrs exist angle and feed rate

可以發現，隨著f的增大α先減小后增大。二刃雙鋒角鉆頭在n=1 500 r/min時，α最小的f為20 μm/r；當n＞3 500 r/min時，α最小的f=30 μm/r。三刃雙鋒角鉆頭在n=1 500～5 500 r/min時，α最小在f=40 μm/r附近。圓弧形鉆頭在n=1 500 r/min及5 500 r/min時，α最小的f=40 μm/r；而n=3 500 r/min時，α最小的f=20 μm/r。f＞20 μm/r時，三刃雙鋒角鉆頭的α相比另外兩種鉆頭要小，且在n=3 500 r/min，f=40 μm/r時，毛刺最少。圖3是二刃雙鋒角鉆頭在不同f下孔出口處毛刺形貌。

圖3 二刃雙鋒角鉆頭孔出口毛刺形貌（n=3 500 r/min）Fig.3 The morphology of burr exist of two-edged double point angle drill at hole exit

毛刺斷裂的位置與孔壁之間的距離是隨著f 的增加而減少的。在f=10 μm/r 時［圖3（a）］，毛刺與工件連接的地方變得很小了，有明顯斷裂的趨勢。而在f≥30 μm/r 時［圖3（b-c）］，毛刺與工件連接的地方依然強勁，沒有斷裂的趨勢。因為f=10 μm/r，鉆削軸向力較小，鉆頭突破孔底面時形成的未切削纖維厚度較小，在小軸向力下容易變形，導致纖維不易被切斷而成為毛刺；同時，同樣的鉆削距離f 小的刀具側刃和外緣轉角與毛刺接觸的次數多，因此毛刺與工件連接鏈接的位置變小且有斷裂的趨勢。當f=50 μm/r時，鉆削軸向力很大，鉆頭突破孔底面時形成的未切削纖維厚度增大，同樣纖維不易被切斷，最后形成毛刺。因此，f過小和過大都容易形成毛刺。

2.3 撕裂因子

圖4是撕裂因子示意圖。撕裂因子的計算方法是：Fd=Dmax/D。圖5是孔出口撕裂因子與進給量的關系。

圖5 孔出口撕裂因子與進給量的關系Fig.5 Relationship between delamination factor and feed rate

三種鉆頭孔出口的撕裂因子隨著f 的增大先減小后增大。雙鋒角鉆頭（二刃和三刃）孔出口撕裂因子最小值出現在f=30 μm/r附近；在n=1 500 r/min時，圓弧形鉆頭孔出口撕裂因子最小值在f=40 μm/r 附近。f 較小時，鉆削軸向力較小，孔出口處容易成為毛刺，鉆頭往下鉆削時因毛刺的影響，使得撕裂增大；而f較大時，鉆削軸向力很大，導致撕裂很大。

從圖5（b）可以知道，雙鋒角鉆頭在n=3 500 r/min 和f=30～40 μm/r 時撕裂因子較小，適合鉆削CFRP 復合材料。三刃雙鋒角鉆頭在n≤3 500 r/min時的孔出口撕裂因子都小于圓弧形鉆頭的，因此在此條件下三刃雙鋒角鉆頭較適合鉆削CFRP 復合材料。從圖5（a）和（c）上發現，孔出口處撕裂因子大于1.4 時，孔出口都存在毛刺，毛刺與工件鏈接的位置存在很長的撕裂，毛刺的位置在θ=90°。可見這種較大的撕裂都是因毛刺的形成而產生的。撕裂在低轉速低進給量下容易出現的原因是刀具往下鉆削的速度緩慢，刀尖不能有效的突破CFRP 板底層碳纖維，形成毛刺，同時也產生較大的撕裂。而在高轉速高進給量下出現的原因是刀具鉆削軸向力過大，導致分層出現的位置離板底較大，同樣不易突破板底，形成毛刺且伴隨著較大的撕裂。

3 結論

（1）三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭的孔入口都沒有出現損傷，而二刃雙鋒角鉆頭的孔入口有損傷。

（2）隨著f 的增大α 先減小后增大。f＞20 μm/r時，三種鉆頭中三刃雙鋒角鉆頭的毛刺最少。

（3）綜合考慮孔入口質量和出口質量（毛刺和撕裂因子），三刃雙鋒角鉆頭最適合鉆CFRP復合材料。