涂层钻头钻削碳纤维复合材料的轴向力研究

魏良耀 程 寓

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

碳纤维复合材料（CFRP）已经发展成为继铝、钢、钛之后的第4大航空结构材料［1］。且在土木建筑、军事工业、电子通信和体育医疗等领域有着广泛的应用前景。

钻孔是碳纤维复合材料构件的重要加工工序之一，连接孔的加工质量直接关系到构件间的装配质量和寿命，通常孔的加工数量大。CFRP的各向异性、层间结合强度低和脆性大等性能在钻孔时容易产生撕裂、起毛、分层等缺陷，而CFRP的高硬度、高强度及导热性差等性能对切削刀具要求较高，属于典型的难加工材料。研究表明钻削轴向力与孔壁分层、出入口撕裂等缺陷有着直接关系，轴向力增大，各类孔加工缺陷也增加。因此研究轴向力的影响因素对减小轴向力，改善加工质量有很大帮助［2－4］。

目前国内外钻削CFRP的钻头还是以麻花钻为主。V．N．Gaitonde使用 K20硬质合金钻头钻削CFRP，研究了切削参数对轴向力与分层的影响［5］。Tsao和HoCheng分析和预测了分层开始的临界推力，测量不同形状钻头对轴向力的影响程度［6］。赵建设、李仲平、张厚江等人研究了不同直径的YG6X钻头在多种切削参数下对轴向力和制孔质量的影响［7－8］;熊国雄、于晓江等人研究了Y330类硬质合金钻头对轴向力及制孔质量的影响，魏威、韦红金研究了钻头材料、后角、转速及进给速度对轴向力和钻头磨损之间的关系［1，9－10］。

之前的报道多局限于研究主轴转速、进给速度、被加工工件的厚度以及钻头形状（麻花钻和金刚石套料钻）、钻头的磨损程度等对轴向力的影响。普通硬质合金钻头钻削CFRP不仅轴向力大，钻头磨损严重，而且加工质量不稳定。近年来各种涂层刀具的相继出现，对加工CFRP的刀具材料的选择提供了一种新方向。

1 钻削轴向力的来源和破坏

从加工角度讲，造成CFRP孔加工缺陷的原因主要是钻削力和钻削热，但前者的作用占绝对主要成分。钻削轴向力主要有3个来源:克服工件材料弹性变形的抗力;克服纤维断裂和基体剪切的抗力;克服切屑对前刀面的摩擦阻力和后刀面与已加工表面之间的摩擦阻力。

钻孔过程中，轴向力始终加载在材料表面上，产生一定的层间应力和交变应力。当应力大于材料的层间结合强度时，就会产生分层破坏。孔出口侧最外层纤维不是立即被切断而是在轴向力的作用下向外退让。若主切削刃不够锋利，不能及时切断纤维，则在出口处产生撕裂和起毛缺陷。轴向力越大，各类孔加工缺陷也越大。

本文主要从钻头材料的角度研究不同涂层对轴向力的影响。

2 试验

2．1 钻头基体材料及涂层的选择

碳纤维的硬度高达800 HV，相当于高速钢的硬度，且CFRP的导热性差，切削区域温度高容易导致钻头发生退火，加速钻头磨损。提高钻头的耐磨性和减小钻头与工件间的摩擦系数，改善散热条件都能减小轴向力，从而提高加工质量。硬质合金的耐磨性远远高于高速钢，且YG类合金的强度、韧性和热导率都高于YT类，细晶粒合金在含钴量相同时比中晶粒合金的硬度和耐磨性要高些。本次试验采用YG6X作基体材料。

目前常用的涂层材料主要有 TiC、TiN、TiCN、TiAlN、Al2O3和金刚石涂层。由于CFRP层合特性在加工过程中不宜使用冷却液，多数采用干切削加工。TiAlN（3 500±500 HV）和TiCN（2 000～3 000 HV）涂层是两种较好的适合高速干切削的涂层，且摩擦系数较小。类金刚石膜（DLC）是一种由碳元素组成的非晶态碳膜，具有高硬度，耐磨性和小摩擦系数等性能，是一种优异的表面抗磨损改性膜很适合作耐磨涂层。因此本次试验选择TiAlN、TiCN和DLC作涂层材料。

2．2 试验条件

试验在KVC1050N加工中心上无垫板钻削10 mm厚的高温、固化、平纹和交织的碳纤维环氧树脂复合材料。钻头为奇峰工具厂生产的直径12 mm的YG6X钻头、TiAlN涂层钻头、TiCN涂层钻头和SANDVIK生产的DLC涂层钻头。由于是干切削加工，因此在加工区域附近安装吸尘口，及时吸走大量粉尘。轴向力测定系统包括YDX－Ⅲ9702压电式传感器，YE5850电荷放大器，A/D转换器，数据转换卡和计算机。钻削轴向力测定系统示意图如图1所示。

2．3 钻孔实验方案

本次采用正交试验设计，其因素水平设计如表1所示。

表1 正交试验的因素水平表

3 试验结果与分析

3．1 正交试验的结果

轴向力的变化可分为3个阶段:首先是随着主切削刃的深入不断增大;其次是主切削刃完全切入工件，轴向力保持稳定状态;最后是随着切削刃的切出而减小，直到为零。轴向力的整个变化规律如图2所示。

正交试验的试验方案采用L16（45），结果如表2～4所示，FZmax是在横刃钻出下表面处选取（此处最容易产生分层、撕裂等缺陷）。由结果可知钻削力的变化范围很大，最大为203 N，最小为53.5 N。

表2 正交试验方案与结果

表3 直观分析

表4 方差分析

3．2 正交试验分析

因为B×C的均方小于空格的均方，被归类到误差中。

由直观分析和方差分析都可得出A、B、C这3个因素的水平变动对试验结果有显著的影响。由kA1＞kA3＞kA2＞kA4可得出A4为A因素的优水平。同理，可以确定B3、C1分别为B、C因素的优水平。3个因素的优水平组合A4B3C1为本次实验的最优水平组合，即最优的工艺条件为使用DLC涂层钻头，主轴转速5 500 r/min和进给速度24 mm/min。

根据极差RA＞RB＞RC和F检验FA＞FB＞FC可得各因素对轴向力影响的主次顺序，即A＞B＞C。所以本次试验中钻头材料影响最大，其次是主轴转速，最后是进给速度。

3．3 钻头材料对轴向力及出口质量的影响

图3为YG6X硬质合金钻头，TiALN、TiCN和DLC涂层钻头对轴向力的影响。

由图3和表3可得出，TiAlN涂层钻头的平均轴向力比YG6X要小20．3%;TiCN涂层钻头的平均轴向力比YG6X的小15．4%。DLC涂层钻头的平均轴向力最小，比YG6X钻头降低47．7%。

涂层钻头结合了基体与涂层材料两者的优点。由于硬质涂层的硬度高、摩擦系素小、与工件间的亲和力小，切削过程中，在很大程度上提高耐磨性、耐热性和抗高温氧化性，减小切削力。从表5中可以看出DLC钻头的加工质量最好，出口侧的撕裂和起毛缺陷最小，且孔壁表面光滑，而其他钻头的出口表面都伴有明显的撕裂及起毛缺陷，孔壁粗糙，有显著的切痕。

表5 部分孔出口质量

3．4 钻削参数对轴向力的影响

从图4中可以得出轴向力随着主轴转速的提高而减小，当主轴转速提高到一定程度时，轴向力有回升趋势。主轴转速提高，实际切削面积减小，轴向力减小。轴向力在6 500 r/min时回升可能有两种原因:一是在高转速下，机床的振动加大，导致实际切削面积也增大，必然会导致切削力的增大;另一原因是在高速下产生大量的切削热，树脂基体在承受200～300℃时发生软化，软化的树脂粘附在钻头切削刃上，使切削刃变钝，因而也会导致切削力的增大。

如图5所示，轴向力随着进给速度的增加而增大。进给速度增大，则每转进给量增大，必然导致切削面积的加大，切削刃与工件的摩擦加剧，最终导致轴向力的增大。

3．5 钻头的磨损情况

图6为试验结束后主切削刃后刀面的磨损情况。

YG6X钻头有轻微的磨损。TiAlN和TiCN钻头主切削刃的后刀面有不同程度的磨粒磨损，主切削刃外缘部分的磨损最为严重:一是因为外缘拐点处涂层与基体的结合力最为薄弱，二是拐点处切削速度和温度最高，切削环境最为恶劣，受硬质点的摩擦最为剧烈。DLC钻头基本没有出现磨损，充分体现出DLC钻头的优异切削性能。

4 结语

（1）本次试验中涂层材料对轴向力的影响最大，主轴转速和进给速度对试验结果有显著影响。

（2）使用涂层钻头可有效减小轴向力。与YG6X钻头的钻削轴向力相比:TiAlN涂层钻头减小20．3%;TiCN涂层钻头减小15．4%;DLC钻头减小47．7%，加工质量最优。

（3）轴向力随着主轴转速的增加先减小后增大，随着进给速度的增加而增大。

（4）YG6X钻头、TiAlN和TiCN涂层钻头都有不同程度的磨损，DLC钻头的耐磨性远远高于其它钻头。

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