階梯鉆鉆削碳纖維復合材料－鈦合金疊層板刀具磨損試驗研究

冷小龍 李鵬南 邱新義 牛秋林 李常平

0 引言

碳纖維復合材料和鈦合金以其優異力學性能在航空航天領域中廣泛應用［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，為此國內外學者做了許多研究工作。

劉國興［2］針對刀具磨損嚴重問題，提出了變進給間歇鉆削的加工方式，這種方式的缺點是加工效率低。王運動［3］研究了碳纖維復合材料和鈦合金磨損特性，將磨損過程分為跑合階段、初期階段和穩定階段。胡立湘等［4］分析了鈦合金層加工參數對刀具磨損的影響，發現低轉速和低進給量可以降低刀具磨損。張選龍等［5］研究了變工藝參數下刀具的磨損，發現制孔質量和刀具壽命明顯提高，變參數加工位置需要進一步討論。池建昌等［6］采用超聲振動輔助鉆削碳纖維復合材料和鈦合金，實驗結果表明超聲振動鉆孔比普通鉆孔刀具磨損量小。汪喜等［7］對鉆削碳纖維復合材料／鈦合金疊層板的研究，發現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合金刀具具有更長的刀具壽命和更好的孔質量。PECAT等［9］采用低頻振動輔助鉆削碳纖維復合材料／鈦合金疊層板，與常規鉆孔相比，刀具壽命可以提高3倍以上。WANG等［10］研究發現鉆削碳纖維復合材料時的主要刀具磨損形式僅為邊緣磨損，當鉆削鈦合金時，嚴重的邊緣磨損和后刀面磨損顯著降低了刀具壽命。POUTORD等［11］發現鉆削碳纖維復合材料是刀具磨損的主要因素。PRAMANIK等［12］詳細分析了鉆削過程中刀具磨損情況，發現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一步研究。綜上所述，改變刀具材料、優化刀具幾何結構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合材料／鈦合金疊層板進行鉆削實驗，研究刀具磨損過程，分析刀具磨損對鉆削力、碳纖維復合材料層和鈦合金層孔入口形貌的影響，并與普通麻花鉆進行對比。

1 實驗

1.1 工件材料和刀具

碳纖維復合材料型號：T700／LT－03A，板厚 3 mm。鈦合金材料為TC4，板厚為10 mm。疊放順序為碳纖維復合材料板在上鈦合金板在下。

試驗刀具為普通麻花鉆（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合金，階梯鉆的棒料采用優質超細碳化鎢粉末為原料，具有高硬度、高抗彎強度、高耐磨性、高韌性等特性，刀具結構參數如表1所示。

表1 刀具結構參數Tab.1 Structural parameters of cutting tools

圖1 兩種鉆頭Fig.1 Two kings of drill

1.2 實驗條件和方案

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

鉆削實驗采用變加工參數工藝：（1）碳纖維復合材料層加工參數采用主軸轉速n1＝3 000 r／min，進給量 f1＝ 0.03 mm／r；（2）鈦合金層加工參數采用 n2＝700 r／min，f2＝ 0.03 mm／r。 在鉆尖即將鉆穿碳纖維復合材料時，改變鉆削參數。每鉆削5個孔即對刀具磨損進行測量。

2 結果與分析

普通麻花鉆在鉆削6孔后，刀具磨損嚴重，切削刃出現崩刃現象，鈦合金切屑粘結在切削刃上，并堵塞螺旋孔，鉆削過程中有火花、白煙產生，認為此時普通麻花鉆已經失效，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。這主要是因為階梯鉆的結構獨特。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，因為在鉆削過程中，橫刃幾乎做直線運動，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，切削刃出現崩刃的概率就更大。同時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合材料－鈦合金疊層板刀具磨損過程可分為三個階段：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，鉆削時刀具后刀面與工件材料實際接觸面積小，接觸處易發生粘結，刀具磨損快。經初期磨損，刀具的粗糙表面已經磨平，實際接觸面積增大，刀具磨損速率降低，刀具進入正常磨損階段。經過正常磨損階段后，切削刃顯著變鈍，切削力增大，切削溫度升高，這時磨損情況發生了質的變化而進入劇烈磨損階段。

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重。這是因為第二后刀面距離鉆頭中心遠，切削速度大，在去除材料時起主要作用，并且第二后刀面與切屑、工件材料摩擦時間長，鉆削力大，鉆削溫度高，鈦合金切屑粘附在刀具上，磨損更加嚴重。隨著鉆孔數增加，熱量不斷積聚，切屑開始粘結在刀具上。

如圖4為階梯鉆后刀面磨損量隨鉆孔數變化曲線圖。當鉆孔個數達到10個后，第一后刀面、第二后刀面的磨損寬度分別為 27.71、57.26 μm。 當鉆孔個數達到20個后，第一后刀面、第二后刀面的磨損寬度分別為 31.58、150.47 μm。 當鉆孔個數達到 30 個后，第一后刀面、第二后刀面的磨損寬度分別為37