结果及分析

    1、刀具的影响

    钻削碳纤维增强复合材料，刀具材质、直径和钻型对钻削轴向力和制孔质量都有影响。

    1.1  刀具材质的影响

    图7为直径3.5mm 的YG8、Y330 和Y330（涂层）钻头在不同钻削参数下钻削碳纤维复合材料的轴向力曲线图。可以看出：3种钻头钻削的平均轴向力都随着进给量的增大呈现的增大趋势。在相同的参数下，轴向力相差不大，这是因为3 种刀具同为YG类硬质合金，性能相似。

图7 刀具材质对轴向力的影响

    选取上述试验中转速6900r/min，进给量0.01mm/r的3支钻头进行试验。在转速6900r/min，进给量0.01mm/r条件下，研究随着钻孔数量的增加轴向力的变化，结果如图8所示（n=6900r/min，f=0.01mm/r）。

图8 钻孔个数对轴向力的影响

    随着钻孔数的增加，3种钻头的轴向力逐渐增大。这是因为随着钻孔数的增加，钻头磨损量增大，从而导致轴向力增大。比较有涂层的和无涂层的Y330钻头的钻削前20个孔的平均轴向力，Y330（涂层）平均轴向力略大于Y330。这是因为：涂层之后，刀具切削刃变钝。但在钻过一定孔数量（20孔）之后，Y330（涂层）平均轴向力小于Y330，说明涂层材质很好的提高了刀具的耐磨性。

    图9为钻削一定数量孔后3种钻头的磨损情况。从图中可以看出，钻削60孔后，Y330钻头磨损比较严重，YG8磨损量相对小些，Y330（涂层）钻头虽然所钻孔数比较多（80孔），但磨损最小。

图9 不同材质钻头磨损情况

    试验中，YG8和Y330钻头钻削40 多个无缺陷孔后，继续钻孔，由于切削刃变钝，所钻的孔产生起毛、翻边缺陷。Y330（涂层）钻头可以钻削80多个无缺陷的孔。

    1.2  刀具直径的影响

    图10为不同直径的Y330（ 涂层）刀具在相同钻削参数下，钻削碳纤维增强复合材料的平均轴向力曲线图。

图10 刀具直径对轴向力的影响

    从图中可以看出：钻削轴向力随着刀具的直径增大而增大。这是因为随着刀具直径的增大，钻头切削刃切削面积增大，从而导致切削力增大。

    通过试验得出：硬质合金麻花钻一般适合钻削直径3.0~8.0mm 的孔；钻削大于8.0mm 孔时，容易产生分层、剥层和劈裂等缺陷。对于大直径孔（直径大于8.0mm）的加工，可以采用烧结金刚石套料钻和电镀金刚石套料钻，这种加工改变了加工方式，将钻削加工变成了磨削加工，但排屑比较困难，且所制的孔质量也不高。

    大直径孔切削力的增大是由于切削面积增大而引起的，减小切削面积，轴向力也会相应的减小。因此，试验中采用钻孔- 扩孔加工方式，先用硬质合金麻花钻钻初孔，然后采用扩孔钻进行扩孔，一次扩孔量可以取2~6mm。

    1.3  钻型的影响

    钻头在钻削碳纤维增强复合材料时，钻头横刃处的切削情况极为恶劣，实际上不产生切削作用，只是滚卷和粉碎纤维，是轴向力的主要来源。

    选用6.7mm四直槽钻铰复合钻和6.0mmY330（涂层）麻花钻进行了试验。四直槽钻铰复合钻钻尖处没有了阻碍切削的横刃，有利于减小切削力，同时还能铰孔，不仅精度高而且效率也高。图11为电子显微镜下四直槽钻铰复合钻与Y330（涂层）麻花钻所钻孔的孔壁形貌（n=1000r/min，f=0.056mm/r）。

图11 不同钻孔的钻头形状

    Y330（涂层）麻花钻所钻孔的孔壁存在许多凹痕，这是由于纤维切削断口不平整引起的。四直槽钻铰复合钻所钻孔的孔壁比较均匀光滑，孔壁质量明显高于Y330（涂层）麻花钻，且6.7mm 四直槽钻铰复合钻的钻削轴向力小于6.0mmY330（涂层）麻花钻。因此，四直槽钻铰复合钻比麻花钻更适合碳纤维增强复合材料的钻削加工。

    2、钻削参数的影响

    从图7中可以看出：平均轴向力随着进给量的增大都呈现增大趋势，为了提高钻孔质量，进给量可取0.01~0.04mm 范围内。图12为直径3.0mm 的Y330（涂层）钻头在0.01mm/r进给量下，以不同转速钻削碳纤维增强复合材料的轴向力曲线图。

图12 主轴转速对轴向力的影响

    从图中可以看出：轴向力随着转速的增加而呈现减小的趋势，曲线的曲率随着转速的增加逐渐减小，在转速超过6000r/min 后，曲线已经变得很平缓。由于切削热的存在，转速越高，钻削温度越高，且高速下，对钻床刚度要求也高。因此，转速不宜太高，建议转速取在3000~6000r/min范围内，对于刚度好的机床，可以适当提高转速；对于刚度差的机床，可以适当降低转速。

    夹层结构钻孔

    实际生产中经常需要对碳纤维增强复合材料与钛合金、铝合金夹层结构钻孔。目前，生产中一般采用整体硬质合金麻花钻，按钻削钛合金、铝合金的转速和进给量进行钻削，直至钻通。但这种加工工艺存在很大问题，特别是钻削碳纤维增强复合材料与钛合金夹层结构时。

    碳纤维增强复合材料与钛合金都是的典型难加工材料，碳纤维增强复合材料钻削要求高转速和小进给量，钻削过程中一般采用干切削。钛合金导热系数小，弹性恢复大，冷硬、粘结、扩散现象严重，易于氧化，钻削中有回弹，尺寸不稳定。一般采用低转速和适量进给量，且钻削中加切削液。作者采用Y330（涂层）麻花钻，以钻钛合金的转速和进给量钻削碳纤维增强复合材料和钛合金夹层结构。试验发现：钻头从钛合金侧钻入孔径尺寸精度高于从复材侧钻入，因此，应优先从钛合金一侧钻孔。钻削时，复材易产生烧伤现象，通过加鲸蜡醇钻孔润滑剂，可以缓解复材的烧伤现象。钛合金孔径存在扩张量，扩张量一般在0.02mm 左右，碳纤维增强复合材料的孔径收缩量一般在0.01mm 左右。要获得高精度的孔，需要对夹层结构进行铰孔。经铰孔后，碳纤维增强复合材料孔径与钛合金孔径的极差可以达到0.01mm 以下。

    夹层结构的钻孔，应采用专用加工刀具。国内某飞机制造公司经过多年的研究，已经研制出适合夹层结构钻孔的组合型刀具，该刀具可以较好地提高钻孔质量和刀具寿命。

    波音公司针对碳纤维增强复合材料与钛合金钻削加工专门研制了PCD组合钻头，取得了良好的效果。刀具寿命得到了较大的提高，钻孔质量也有所改善，同时提高了加工效率。但此类钻头制作工艺比较复杂，价格昂贵，是普通硬质合金钻头的几百倍。

    总结

    钻削轴向力是碳纤维增强复合材料钻孔产生缺陷的主要原因。本文介绍了国内外钻削碳纤维增强复合材料的刀具，并以轴向力大小和制孔质量为标准，对钻削刀具及钻削参数进行了试验研究，得出了适合钻削碳纤维增强复合材料的刀具及钻削参数。并研究了大直径孔（直径大于8mm）以及碳纤维复合材料与钛合金夹层结构的加工方法。提出采用钻孔- 扩孔加工方式加工大直径孔。对于碳纤维增强复合材料与钛合金夹层结构制孔，优先从钛合金侧钻入，钻削时加润滑剂。