新型碳纖維復合材料孔加工刀具_電鍍金剛石復合鉆

1、新型碳纖維復合材料孔加工刀具 電鍍金剛石復合鉆 3大連輕工業(yè)學院 (116034 張 偉 張林波 艾啟蘭3遼寧省自然科學基金資助項目 收稿日期 :1998年 6月 1. 前言碳纖維增強復合材料 (簡稱 CFRP 具有比 強度高 、 比模量高 、 減振性好等優(yōu)點 , 在航空航 天領域得到了廣泛應用 , 在汽車 、 醫(yī)療器械 、 體 育器械等行業(yè)的應用也日益增多 。隨著 CFRP 應用領域的擴大 , 解決 CFRP 的高精度 、 高效加 工問題也日益迫切 。為此 , 型孔加工刀具 , 裂問題 , 。2. CFRP 一般情況下 , 在 CFRP 板材上鉆孔加工時 , 容易產生分層 、 劈裂 、 燒傷

2、等缺陷 , 其中尤以分 層 、 劈裂對加工質量影響最大 。 據(jù)介紹 , 在 AV 28B 飛機的制造中 , 由于 CFRP 鉆孔分層 、 劈裂導 致的零件不合格率占全機 CFRP 零件不合格率 的 60%以上 1。出現(xiàn)分層 、 劈裂現(xiàn)象的主要原因為 :(1 CFRP 疊層板由碳纖維層鋪疊而成 , 層與層之間 用樹脂粘結 。由于 CFRP 是一種各向異性材 料 , 其機械性能在不同方向各不相同 , 材料沿纖 維鋪層方向強度較高 , 而垂直于纖維鋪層方向 的強度則取決于樹脂粘結強度 , 一般情況下 , 層 間結合強度僅為纖維方向強度的 2. 2%。 (2 鉆孔加工時 , 存在垂直于纖維鋪層方向的軸

3、向 力 F z , 從而在疊層板內產生正應力 , 當切削力 產生的正應力超過樹脂結合強度 , 則會出現(xiàn)樹 脂斷裂 、 纖維層分層或劈裂等現(xiàn)象 , 軸向力越 大 , 分層 、 劈裂現(xiàn)象越嚴重 。因此 , 解決分層 、 劈裂問題的一個有效途徑 是減小鉆削軸向力 。在鉆削加工中 , 軸向力主 要受鉆削參數(shù) 、 刀具材料和鉆型等因素影響 。在研制電鍍金剛石復合鉆時 , 為提高鉆削效率和刀具壽命 , 選擇了適宜的刀具材料 , 設計 了新型鉆頭結構 , 并綜合考慮了鉆削參數(shù)對加 工表面質量的影響 。3. 。 , <7. 8mm (工件孔徑 <8. 50°, 鉆頭錐體部分鍍有 80#的

4、金剛石 , 錐體部分開有兩條對稱 螺旋狀的分屑槽 , 起容屑 、 排屑作用 , 可避免切 屑堵塞 、 燒傷工件 。復合鉆的前部有一導孔鉆 (材料為 Y 330 , 其直徑約為加工孔徑的 1/3, 外 伸長度可根據(jù) CFRP 板材的厚度加以調整 。導 孔鉆起預鉆孔作用 , 以避免鉆芯處因切削速度 為零而導致切削條件惡化 。 小直徑導孔鉆也會 產生微小切削缺陷 , 但由于其直徑范圍小于最 終孔徑 , 可在金剛石鉆頭鉆削過程中被切除 。1. 定位螺栓 2. 鉆頭基體 3. 分屑槽4. 金剛石鉆頭 5. 導孔鉆圖 1 電鍍金剛石復合鉆 (照片 金剛石刀具具有刀尖鋒利 、 多刃切削 、 耐磨性優(yōu)異等優(yōu)點

5、 , 因此十分適宜于難加工材料的 切削加工 。如前所述 , 造成 CFRP 鉆削時分層 、 劈裂的主要原因是鉆削軸向力在加工表面形成 的正應力超過了 CFRP 的層間結合強度 。由于 金剛石鉆頭鉆削時為多刃切削 , 軸向力被分散 , 加工表面所受正應力也顯著下降 。此外 , 由于 鉆尖鋒利 , 鉆削時 CFRP 纖維斷裂變形小 , 從而 減輕了分層 、 劈裂程度 。設計金剛石鉆頭時要注意以下幾點 :(1 基體錐頂角宜選用 50°60°。如頂角 太小 , 鉆削時間將延長 , 工件易燒傷 ; 如頂角過 大 , 則鉆削軸向力增大 , 工件易分層 、 劈裂 。(2 導孔鉆直徑不宜過

6、大 , 一般取工件孔徑 的 1/3。 直徑太大將加重分層和劈裂 。2工 具 技 術(3 應根據(jù)工件的加工要求選擇金剛砂粒度 。 粒度粗 , 生產率高 , 刀具壽命長 , 切屑不易 堵塞 , 但表面粗糙度較大 ; 粒度細 , 則相反 。4. 鉆削試驗試驗用機床為 W62X 型萬能銑床 。試驗 時 , 將手風鉆固定在銑床立銑頭上 , 由銑床工作 臺提供進給運動 , 風鉆作旋轉運動 。試驗參數(shù) :n =12000r/min , f =0. 005mm/r 。 試驗用鉆頭 :1#:直徑 <8mm 電鍍金剛石 復合鉆頭 ;2#:直徑 <8mm 普通硬質合金鉆頭 用 1#鉆頭和 2#度為 4m

7、m 的 CFRP 板 F z 和扭矩 M 表 1 刀具序號F z (kg f M (kg f cm #0. 450. 56#1. 550. 78(a 金剛石復合鉆頭(b 普通硬質合金鉆頭圖 2 孔壁金相顯微照片由表 1可看出 , 用電鍍金剛石復合鉆頭鉆削 CFRP 時 , 軸向力和扭矩均較小 , 分別約為普 通硬質合金鉆頭的 30%和 70%, 因此孔加工質 量明顯提高 。 從圖 2可以看出 , 用 1#鉆頭加工 的工件表面無分層 、 劈裂現(xiàn)象 , 而 2#鉆頭加工 的工件表面則有明顯的分層 、 劈裂現(xiàn)象 。圖 3為已加工孔入口出口處的照片 。 鉆削試驗結果表明 , 在高速 、 低進給的切削條

8、件下 , 用電鍍金剛石復合鉆頭鉆削 CFRP 板材可獲得非常理想 的加工表面 。a (b 普通硬質合金鉆頭3 加工后孔入口出口處照片5. 結論電鍍金剛石復合鉆頭是一種新型孔加工刀具 , 與其它類型的金剛石刀具相比 , 其制造工藝 簡單 , 刀具成本低 ; 由于具有刀尖鋒利 、 多刃切 削等優(yōu)點 , 該鉆頭在高速 、 低進給條件下鉆削 CFRP 板材時 , 基本無分層 、 劈裂現(xiàn)象 , 可明顯提 高生產率 。參考文獻1 羅鴻濤 , 陳鼎昌 . 難加工材料切削加工學 . 北京航空航天大學 ,19882 S J Lewis. The use of carbon fibre com posites onmilitary aircraft. C om posites Manufacturing , 1994,5(2 3 張林波 . 碳纖維增強復合材料鉆削機理及新鉆型的研究 . 大連輕工業(yè)學院碩士學位論 文 ,1998編輯 :石 明高性能陶瓷刀片K y ocera 工業(yè)陶瓷公司研制出可替代 C BN 的陶瓷刀片 , 用于高速粗 、 精鏜削硬度高達 HRC45的碳鋼 、 合 金鋼 、 鑄鐵 、 難加工材料零件內孔 。 它不僅比金剛石和C BN 材料的硬度高 、 耐磨性能好 , 而且具有很好的化學穩(wěn)定性 , 所以可以在高的切削速度 、 大的進給量和切削 深度的條件下