階梯鉆鉆削碳纖維復(fù)合材料－鈦合金疊層板刀具磨損試驗(yàn)研究

冷小龍 李鵬南 邱新義 牛秋林 李常平

0 引言

碳纖維復(fù)合材料和鈦合金以其優(yōu)異力學(xué)性能在航空航天領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用［1］。作為典型的難加工材料，鉆孔過程中使得鉆削刀具磨損很快，因此如何在保證制孔質(zhì)量的前提下盡可能提高刀具壽命是我們面臨的一大難題，為此國內(nèi)外學(xué)者做了許多研究工作。

劉國興［2］針對刀具磨損嚴(yán)重問題，提出了變進(jìn)給間歇鉆削的加工方式，這種方式的缺點(diǎn)是加工效率低。王運(yùn)動(dòng)［3］研究了碳纖維復(fù)合材料和鈦合金磨損特性，將磨損過程分為跑合階段、初期階段和穩(wěn)定階段。胡立湘等［4］分析了鈦合金層加工參數(shù)對刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給量可以降低刀具磨損。張選龍等［5］研究了變工藝參數(shù)下刀具的磨損，發(fā)現(xiàn)制孔質(zhì)量和刀具壽命明顯提高，變參數(shù)加工位置需要進(jìn)一步討論。池建昌等［6］采用超聲振動(dòng)輔助鉆削碳纖維復(fù)合材料和鈦合金，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲振動(dòng)鉆孔比普通鉆孔刀具磨損量小。汪喜等［7］對鉆削碳纖維復(fù)合材料／鈦合金疊層板的研究，發(fā)現(xiàn)刀具磨損類型主要有粘附、脫落、崩刃等缺陷。PARK等［8］研究表明金剛石涂層刀具相比于硬質(zhì)合金刀具具有更長的刀具壽命和更好的孔質(zhì)量。PECAT等［9］采用低頻振動(dòng)輔助鉆削碳纖維復(fù)合材料／鈦合金疊層板，與常規(guī)鉆孔相比，刀具壽命可以提高3倍以上。WANG等［10］研究發(fā)現(xiàn)鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí)的主要刀具磨損形式僅為邊緣磨損，當(dāng)鉆削鈦合金時(shí)，嚴(yán)重的邊緣磨損和后刀面磨損顯著降低了刀具壽命。POUTORD等［11］發(fā)現(xiàn)鉆削碳纖維復(fù)合材料是刀具磨損的主要因素。PRAMANIK等［12］詳細(xì)分析了鉆削過程中刀具磨損情況，發(fā)現(xiàn)涂層和階梯形刀具可以明顯提高刀具性能，延長刀具壽命，階梯鉆孔徑比需要進(jìn)一步研究。綜上所述，改變刀具材料、優(yōu)化刀具幾何結(jié)構(gòu)是解決刀具磨損過快的根本途徑。

本文采用自主磨制的階梯鉆對碳纖維復(fù)合材料／鈦合金疊層板進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，研究刀具磨損過程，分析刀具磨損對鉆削力、碳纖維復(fù)合材料層和鈦合金層孔入口形貌的影響，并與普通麻花鉆進(jìn)行對比。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 工件材料和刀具

碳纖維復(fù)合材料型號：T700／LT－03A，板厚 3 mm。鈦合金材料為TC4，板厚為10 mm。疊放順序?yàn)樘祭w維復(fù)合材料板在上鈦合金板在下。

試驗(yàn)刀具為普通麻花鉆（YG6X）和自主磨制的階梯鉆，直徑都為6 mm，如圖1所示。普通麻花鉆刀具材料為鎢鈷類硬質(zhì)合金，階梯鉆的棒料采用優(yōu)質(zhì)超細(xì)碳化鎢粉末為原料，具有高硬度、高抗彎強(qiáng)度、高耐磨性、高韌性等特性，刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of cutting tools

圖1 兩種鉆頭Fig.1 Two kings of drill

1.2 實(shí)驗(yàn)條件和方案

鉆削實(shí)驗(yàn)在KVC800／1立式加工中心上進(jìn)行。采用超景深三維顯微系統(tǒng)（KEYENCE VHX－500FE）對刀具磨損情況進(jìn)行觀察，并對磨損量進(jìn)行測量。軸向力采用Kistler 9253B23三向壓電式測力儀進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)采用干式鉆削方式。

鉆削實(shí)驗(yàn)采用變加工參數(shù)工藝：（1）碳纖維復(fù)合材料層加工參數(shù)采用主軸轉(zhuǎn)速n1＝3 000 r／min，進(jìn)給量 f1＝ 0.03 mm／r；（2）鈦合金層加工參數(shù)采用 n2＝700 r／min，f2＝ 0.03 mm／r。 在鉆尖即將鉆穿碳纖維復(fù)合材料時(shí)，改變鉆削參數(shù)。每鉆削5個(gè)孔即對刀具磨損進(jìn)行測量。

2 結(jié)果與分析

普通麻花鉆在鉆削6孔后，刀具磨損嚴(yán)重，切削刃出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，鈦合金切屑粘結(jié)在切削刃上，并堵塞螺旋孔，鉆削過程中有火花、白煙產(chǎn)生，認(rèn)為此時(shí)普通麻花鉆已經(jīng)失效，失去鉆削能力。而階梯鉆在鉆削50孔后，刀具形貌良好，仍然具有鉆削能力，階梯鉆刀具耐磨性明顯高于普通麻花鉆，如圖2所示。這主要是因?yàn)殡A梯鉆的結(jié)構(gòu)獨(dú)特。鉆削力過大是刀具磨損快的重要因素，階梯鉆橫刃長度只有普通麻花鉆的1／4，而鉆削力的主要來源就是橫刃，因?yàn)樵阢@削過程中，橫刃幾乎做直線運(yùn)動(dòng)，不參與切削，只是擠壓工件材料，并且階梯鉆具有第一主切削刃和第二主切削刃，鉆削過程中單位面積承受的鉆削力小。普通麻花鉆鉆削力大，切削刃出現(xiàn)崩刃的概率就更大。同時(shí)階梯鉆鉆削的鈦合金切屑排出順暢（螺旋角38°，容屑空間大），不會(huì)堵塞螺旋槽，而普通麻花鉆排屑困難，隨著溫度升高，切屑容易粘結(jié)在切削刃上并堵塞螺旋槽。

圖2 刀具形貌對比Fig.2 Comparison of tool topography

2.1 刀具磨損過程分析

階梯鉆鉆削碳纖維復(fù)合材料－鈦合金疊層板刀具磨損過程可分為三個(gè)階段：初期磨損、正常磨損、劇烈磨損。新磨制的階梯鉆表面粗糙度大，表面有顯微裂紋，鉆削時(shí)刀具后刀面與工件材料實(shí)際接觸面積小，接觸處易發(fā)生粘結(jié)，刀具磨損快。經(jīng)初期磨損，刀具的粗糙表面已經(jīng)磨平，實(shí)際接觸面積增大，刀具磨損速率降低，刀具進(jìn)入正常磨損階段。經(jīng)過正常磨損階段后，切削刃顯著變鈍，切削力增大，切削溫度升高，這時(shí)磨損情況發(fā)生了質(zhì)的變化而進(jìn)入劇烈磨損階段。

圖3為鉆削過程中階梯鉆橫刃和后刀面的磨損觀測。階梯鉆刀具磨損的區(qū)域主要有橫刃，第一后刀面，第二后刀面，其中第二后刀面磨損最為嚴(yán)重。這是因?yàn)榈诙蟮睹婢嚯x鉆頭中心遠(yuǎn)，切削速度大，在去除材料時(shí)起主要作用，并且第二后刀面與切屑、工件材料摩擦?xí)r間長，鉆削力大，鉆削溫度高，鈦合金切屑粘附在刀具上，磨損更加嚴(yán)重。隨著鉆孔數(shù)增加，熱量不斷積聚，切屑開始粘結(jié)在刀具上。

如圖4為階梯鉆后刀面磨損量隨鉆孔數(shù)變化曲線圖。當(dāng)鉆孔個(gè)數(shù)達(dá)到10個(gè)后，第一后刀面、第二后刀面的磨損寬度分別為 27.71、57.26 μm。 當(dāng)鉆孔個(gè)數(shù)達(dá)到20個(gè)后，第一后刀面、第二后刀面的磨損寬度分別為 31.58、150.47 μm。 當(dāng)鉆孔個(gè)數(shù)達(dá)到 30 個(gè)后，第一后刀面、第二后刀面的磨損寬度分別為37