纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FiberReinforcedPlastic，F(xiàn)RP），如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）和凱夫拉（Kevlar）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，以其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比剛度大、減振和抗疲勞性能好、耐腐蝕等諸多優(yōu)越性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、生物醫(yī)療及體育用品等領(lǐng)域[1-3]。制孔是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造過(guò)程中最重要的加工工序之一，在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用廣泛的民用大型客機(jī)上，制孔工序占復(fù)合材料加工工作量的80%以上，一架波音747客機(jī)需要完成300多萬(wàn)個(gè)連接孔的加工[4]。因此，制孔質(zhì)量和效率直接關(guān)系到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件的使用性能、生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本。

       由于FRP是由質(zhì)軟而粘性大的基體材料和強(qiáng)度高、硬度大的纖維增強(qiáng)材料混合而成的二相或多相結(jié)構(gòu)材料，其各向異性、低熱傳導(dǎo)率、低層間結(jié)合強(qiáng)度使其成為典型的難加工材料[5]。因此，在FRP制孔過(guò)程中，除傳統(tǒng)金屬材料制孔缺陷（尺寸誤差、圓度誤差、位置誤差和垂直度誤差等）外，還表現(xiàn)為分層、出入口撕裂與毛刺、孔壁表面纖維拔出等。由于纖維硬度高，刀具在切削時(shí)極易受到基體中硬質(zhì)點(diǎn)的刻劃而產(chǎn)生磨損，并且由于切削熱在切削刃附近積聚，使刀具磨損加劇[6-7]。在飛機(jī)制造領(lǐng)域的最終裝配環(huán)節(jié)，由鉆削分層缺陷導(dǎo)致的復(fù)合材料疊層零件報(bào)廢的比例高達(dá)60%[8]。研究表明，復(fù)材鉆削分層和刀具磨損已成為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削加工中最具挑戰(zhàn)性的兩大難題[9]。隨著刀具制造技術(shù)的快速發(fā)展，優(yōu)化的刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、先進(jìn)刀具材料和涂層技術(shù)成為解決針對(duì)上述問(wèn)題的重要支撐。針對(duì)刀具快速磨損的問(wèn)題，復(fù)材加工刀具需選擇耐磨性好的刀具材料和涂層來(lái)防止刀具快速磨損，延長(zhǎng)刀具壽命。針對(duì)復(fù)材鉆削分層，可以通過(guò)優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化加工工藝來(lái)控制分層缺陷。因此，先進(jìn)刀具材料和涂層技術(shù)、優(yōu)化的刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝成為解決復(fù)合材料高效高質(zhì)量制孔加工的核心技術(shù)。

      本課題組長(zhǎng)期致力于復(fù)合材料專(zhuān)用刀具設(shè)計(jì)，先進(jìn)刀具材料和涂層在復(fù)材制孔中的應(yīng)用研究。本文綜述了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔過(guò)程中，不同刀具材料和涂層對(duì)復(fù)材制孔刀具壽命的影響，分析了不同刀具結(jié)構(gòu)在復(fù)材制孔中的切削性能和制孔質(zhì)量，為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料專(zhuān)用制孔刀具的設(shè)計(jì)和制造研究提供了發(fā)展方向。

制孔刀具材料和涂層

1制孔刀具材料

      由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是典型的難加工材料，因此復(fù)材加工刀具材料必須具有良好的抗磨損性能。大量試驗(yàn)研究表明，鉆削纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，刀具后刀面磨粒磨損是刀具最主要的磨損形式[6-7，10-11]。刀具磨損后，在制孔過(guò)程中鉆削軸向力增大，鉆削溫度快速上升，導(dǎo)致復(fù)材分層，纖維抽出等制孔缺陷的出現(xiàn)[12]，影響加工質(zhì)量。因此，目前用于復(fù)材制孔的刀具材料以硬質(zhì)合金、聚晶金剛石（Polycrystallinediamond，PCD）為主。硬質(zhì)合金制孔刀具可以通過(guò)刃磨形成各種幾何結(jié)構(gòu)，有利于控制切削力分布，減小軸向力，加大鉆削扭矩，防止分層并快速切斷纖維，但是硬質(zhì)合金刀具的抗磨損性能在復(fù)材制孔的過(guò)程中仍然不足，刃口磨損鈍化將造成制孔質(zhì)量下降，因此如何保持硬質(zhì)合金刃口的鋒利度成為制約其應(yīng)用的主要因素。如圖1所示PCD刀具，通過(guò)與硬質(zhì)合金整體燒結(jié)后，再進(jìn)行刃磨，可獲得非常鋒利的刃口，同時(shí)具有非常低的表面摩擦系數(shù)以及超高的硬度和強(qiáng)度，在制孔過(guò)程中可以很好地切斷纖維，獲得良好的制孔質(zhì)量，而刀具壽命取決于工藝參數(shù)和加工過(guò)程，這是因?yàn)镻CD刀具抗沖擊性能較差，容易產(chǎn)生崩刃。另外，PCD刀具價(jià)格遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金刀具，其使用成本和性價(jià)比也需要進(jìn)一步評(píng)估。因此，硬質(zhì)合金材料目前依然是應(yīng)用最為廣泛的制孔刀具材料。

 

2刀具涂層的選擇及其對(duì)制孔過(guò)程的影響

      為了改善硬質(zhì)合金刀具的耐磨性，可以在刀具表面添加涂層。隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，目前80%以上的刀具均為涂層刀具，不同涂層材料和結(jié)構(gòu)在加工過(guò)程中所發(fā)揮的作用不同?；瘜W(xué)氣相沉積（ChemicalVaporDeposition,CVD）金剛石薄膜具有接近天然金剛石的硬度、高的彈性模量、極高的熱導(dǎo)率、良好的自潤(rùn)滑性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，非常適合用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工。金剛石涂層可以大幅提高硬質(zhì)合金制孔刀具的抗磨損性能，其極低的摩擦系數(shù)也使加工過(guò)程中的摩擦力減小，摩擦溫度降低。而金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具綜合了硬質(zhì)合金材料和PCD材料的優(yōu)點(diǎn)，在大幅提升抗磨損性能的同時(shí)保持了硬質(zhì)合金刀具抗沖擊性能的優(yōu)點(diǎn)，而在刀具生產(chǎn)制造成本上又遠(yuǎn)低于PCD刀具，已成為專(zhuān)用復(fù)材制孔刀具最具潛力的刀具材料形式。
納米金剛石涂層鉆頭

 

       本課題組長(zhǎng)期致力于微、納米金剛石涂層技術(shù)的應(yīng)用研究，目前已針對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開(kāi)發(fā)了梯度納米金剛石涂層，并與優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)相結(jié)合，形成專(zhuān)用復(fù)合材料制孔刀具，如圖2所示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用納米金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭鉆削時(shí)軸向力比無(wú)涂層硬質(zhì)合金鉆頭減小30%，如圖3所示。因此，采用金剛石涂層鉆頭有利于減少?gòu)?fù)材制孔過(guò)程中分層等損傷，增強(qiáng)了刀具的抗磨損性能，大大增加了硬質(zhì)合金鉆頭的使用壽命。

 

復(fù)材專(zhuān)用制孔刀具幾何結(jié)構(gòu)

       FRP由于其特有的機(jī)械性能和物理性能，其制孔刀具和一般金屬制孔刀具在幾何結(jié)構(gòu)上有很大改進(jìn)。為了改善復(fù)材制孔的質(zhì)量和效率，一系列專(zhuān)用的FRP制孔刀具得到了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，如八面鉆（Eight-facetdrillbits）、雙導(dǎo)向階梯鉆（Double-marginpilotedstepdrillbits）、匕首鉆（Draggerdrillbits）、燭芯鉆（Candlestickdrillbits）等，如圖4所示。

 

       在FRP鉆削加工中，影響鉆頭加工性能的主要幾何參數(shù)有：橫刃長(zhǎng)度、gash前角、后角、鉆尖形貌和螺旋角等。在所有幾何參數(shù)中，橫刃和鉆尖角對(duì)鉆削軸向力的影響最大，而鉆削軸向力的增大將直接導(dǎo)致鉆削分層的發(fā)生[13]。在鉆削過(guò)程中，保持其他加工參數(shù)不變，橫刃越長(zhǎng)鉆削軸向力越大。這是因?yàn)椋涸跈M刃區(qū)，切削刃負(fù)前角很大而切削速度卻很小，使得橫刃在鉆削時(shí)會(huì)對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)生較大的擠壓作用，如圖5（a）所示。研究表明，鉆削過(guò)程中有60%的鉆削軸向力來(lái)自橫刃[15]。當(dāng)鉆削軸向力超出復(fù)合材料出口層間結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生出口分層。相對(duì)于較鈍的鉆尖，鋒利的鉆尖可以在很小的面積上鉆穿最后一層復(fù)合材料。Gaitonde等[16-17]通過(guò)在低速和高速鉆削CFRP發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉆尖角增大時(shí)，分層系數(shù)Fd（描述復(fù)合材料層間分層大小的指標(biāo)）也隨之增大，如圖6所示。

 

       另外，剝離現(xiàn)象常發(fā)生在鉆頭鉆入復(fù)合材料時(shí)，如圖5（b）所示。在鉆頭的切削刃接觸到復(fù)合材料層壓板時(shí)，鉆頭切削刃會(huì)對(duì)入口處的復(fù)合材料作用一個(gè)軸向拉力，使得入口處的上層材料與受軸向推力的未切削層材料發(fā)生分離，從而形成入口剝離現(xiàn)象。這種入口剝離缺陷會(huì)隨鉆頭實(shí)際前角的增大而增加[18]。為了減小或消除這種入口剝離缺陷，通常采用較小的鉆頭前角，一般推薦選用小于6°的前角。

 

       若鉆削軸向力能夠沿圓周分布，那么出口部位的分層現(xiàn)象將會(huì)得到很大的改善。鋸鉆（Sawdrillbits）、燭芯鉆（Candlestickdrillbits）、套料鉆（Coredrillbits）和階梯鉆（Stepdrillbits）等專(zhuān)用鉆頭都符合這一特性，與傳統(tǒng)麻花鉆相比，采用專(zhuān)用鉆頭能獲得更小的臨界推力值（復(fù)合材料不發(fā)生分層所需的最小鉆削軸向力值）。這些專(zhuān)用鉆頭的優(yōu)點(diǎn)在理論與實(shí)際應(yīng)用中都已得到了驗(yàn)證，其鉆削軸向力會(huì)向鉆頭圓周分散而不是集中在中心，在不引起分層的情況下可以采用更高的進(jìn)給速率[19]。

      鋸鉆利用向外圍分配推力的方法進(jìn)行復(fù)合材料層壓板制孔。當(dāng)分層尺寸在鉆頭半徑范圍內(nèi)時(shí)不需要予以關(guān)注，因?yàn)榉謱硬课惶幍牟牧献罱K會(huì)被鉆除掉。當(dāng)分層尺寸超出鉆頭半徑范圍時(shí)，由于鋸鉆在材料上施加的圓周力，它與施加集中力的麻花鉆相比，能夠保證不引起分層的情況下獲得更大的鉆削軸向力。

      燭芯鉆加工時(shí)的鉆削軸向力可以分解為一個(gè)集中的載荷與外圍的圓周載荷之和。由于大部分推力載荷分布在鉆頭外圍，因此此類(lèi)鉆頭在分層開(kāi)始時(shí)可允許更大的臨界推力值。燭芯鉆可以看作是介于麻花鉆與鋸鉆的中間類(lèi)型，但燭芯鉆的橫刃比麻花鉆的橫刃要短得多，因此它可以從很小的面積上鉆穿最后一層復(fù)合材料。這樣最后一層復(fù)合材料所受到的彎曲力較小，從而保證了更好的孔加工質(zhì)量。

       套料鉆加工時(shí)鉆削軸向力均勻地分布在一個(gè)環(huán)形區(qū)域，而不是集中在中心。這樣在分層開(kāi)始時(shí)可以獲得較大的臨界推力值。在套料鉆的刀具參數(shù)中，金剛石磨粒的粒度是影響其鉆削軸向力的最重要因素，而鉆尖厚度的影響相對(duì)較小[20]。

       階梯鉆可以認(rèn)為是主階梯和次階梯復(fù)合而成。主階梯部分減小了對(duì)中心材料的去除，特別是抵消了橫刃對(duì)推力的影響。

       研究表明[19-20]，當(dāng)進(jìn)給量小于0.010mm/rev時(shí)，采用燭芯鉆可以獲得更小的鉆削軸向力；而階梯鉆則能在進(jìn)給量大于0.010mm/rev時(shí)獲得更小的鉆削軸向力。相比于燭芯鉆和階梯鉆，套料鉆和鋸鉆的鉆削軸向力依次增大，而麻花鉆相比于其他4種類(lèi)型的鉆頭鉆削軸向力明顯偏大。

結(jié)束語(yǔ)

       纖維增強(qiáng)復(fù)合材料將（FRP）是21世紀(jì)應(yīng)用最為廣泛的材料之一，其高效高質(zhì)量加工仍然需要不斷研發(fā)新型專(zhuān)用刀具和改善加工工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。專(zhuān)用FRP制孔刀具的設(shè)計(jì)、制造，刀具材料和涂層匹配，加工工藝優(yōu)化是FRP加工的關(guān)鍵技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)研究成果的總結(jié)，指出金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具在FRP制孔過(guò)程中的良好性能，從鉆削軸向力、分層損傷等因素對(duì)多種形式的鉆頭進(jìn)行了對(duì)比分析，為專(zhuān)用FRP制孔刀具進(jìn)一步研發(fā)指明了方向。

參考文獻(xiàn)（部分）
[1]ShyhaI,SooSL,AspinwallD,etal.Effectoflaminateconfigurationandfeedrateoncuttingperformancewhendrillingholesincarbonfiberreinforcedplasticcomposites.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2010,210(8):1023-1034.
[2]TsaoCC.Investigationintotheeffectsofdrillingparametersondelaminationbyvariousstep-coredrills.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2008,206(1):405-411.
[3]AbraoAM,FariaPE,RubioJC,etal.Drillingoffiberreinforcedplastics:Areview.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2007,186(1):1-7.
[4]WangYQ,BaoYJ,GaoH.Studiesondisfigurement-feetechnologyofdrillingcarbonfiberreinforcedplastics.AdvancedMaterialsResearch,2007,24:125-132.
[5]徐錦泱.高強(qiáng)度型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料T800S/250F的鉆削制孔研究[D].上海:上海交通大學(xué).2013.
[6]孟憲超.碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工工藝研究[D].大連:大連理工大學(xué).2005.
[7]ChenWC.Someexperimentalinvestigationsinthedrillingofcarbonfiberreinforcedplastic(CFRP)compositelaminates.InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,1997,37(8):1097-1108.
[8]StoneR,KrishnamurthyK.Aneuralnetworkthrustforcecontrollertominimizedelaminationduringdrillingofgraphite-epoxylaminates.InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,1996,36(9):985-1003.
[9]LiuJ,ZhangD,QinL,etal.Feasibilitystudyoftherotaryultrasonicellipticalmachiningofcarbonfiberreinforcedplastics(CFRP).InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,2012,53(1):141-150.
[10]RawatS,AttiaH.WearmechanismsandtoollifemanagementofWC-Codrillduringdryhighspeeddrillingofwovencarbonfibercomposites.Wear,2009,267(5):1022-1030.
[11]IliescuD,GehinD,GutierrezME,etal.ModelingandtoolwearindrillingofCFRP.InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,2010,50(2):204-213.