摘要
碳纤维增强复合材料制孔中极易产生毛刺、分层等制孔缺陷,本文以硬质合金材料和PCD材料设计制造了两种结构类似的新钻型,对比分析了其制孔缺陷形成过程以及在不同工艺参数条件下轴向力和制孔缺陷的变化规律。结果表明:从两种钻型的轴向力时变曲线能明显区分钻削的8个阶段,其中扩削刃的扩孔阶段和第二扩削刃单独参与钻削阶段的轴向力最低,两种钻型的第二扩削刃Ⅳ对制孔缺陷的显著减小有着极为关键的作用;直线刃新钻型的制孔效果要优于圆弧型的,但随着主轴转速和进给速度的增大,其抑制毛刺缺陷的能力将降低;与硬质合金新钻型相比, PCD新钻型在抑制制孔缺陷方面具有绝对优势。
碳纤维增强复合材料(CFRP)具有轻质、高强、可设计、抗疲劳、耐腐蚀、耐摩擦等特性,已成为新型飞机的首选结构材
在CFRP结构件的装配连接中,钻削加工在后续机械加工中占有重要地位,是最为繁重的机械加工工序之一,如大型飞机A350XWB机身前段和中段需要加工3.6万个连接孔,尾翼需要加工0.5万个连接
研究表明,钻头结构和刃型直接决定刀具-工件的接触状态和切削过程,对CFRP制孔缺陷的形成极为重
本文针对制孔缺陷问题,在现有钻型结构基础上,设计制造了新钻型,通过试验对比分析了新钻型制孔缺陷的形成过程,以及研究了新钻型刃型结构和刀具材料对钻削轴向力和制孔缺陷的影响规律。
在CFRP制孔过程中,孔边缘极易产生毛刺、分层和撕裂等加工缺陷,尤其以孔出口最为严重。孔出口的最终毛刺、分层和撕裂等加工缺陷将在主切削刃作用下最终形成,因而,主切削刃的切削性能对最终孔的质量至关重
对于CFRP制孔缺陷的形成,表层制孔缺陷形成的主要原因在于纤维缺乏约束,在轴向力作用下易产生“避让

图1 新钻型的设
Fig.1 Design of the novel dril
为系统对比分析V型刃不同结构的制孔效果,设计了直线型和圆弧型两种结构类似的刃型,并采用整体硬质合金(YG6X)和钎焊PCD刀片两种方式制作刀具进行试验研究,4把刀具如

图2 试验装置及新钻型
Fig.2 Experimental setups and novel drills
试验所采用的工件材料为平纹编织碳纤维增强复合材料板 (T300/环氧树脂,CFRP),板厚度为5 mm,单束纤维的平均厚度约为0.2 mm,平均宽度约为2.5 mm,纤维直径为7~8 μm,纤维体积分数为60%~65%。
在KVC1050M立式加工中心上采用无冷却方式进行钻削试验,主轴转速n在2 000~5 000 r/min内取值(取值间距为1 000 r/min),进给速度vf在105~420 mm/min内取值(取值间距为105 mm/min)。为分析新钻型制孔缺陷的形成过程,在主轴转速n=2 000 r/min和vf=105 mm/min,210 mm/min时进行钻削试验,观测两种钻型结构在不同钻削深度的制孔缺陷,两种钻型的钻削深度如

图3 钻削深度H0
Fig.3 Drilling depth H0
为分析制孔缺陷的加工效果,试验后,采用超景深体视显微镜及其附带软件观测孔出口表层分层缺陷的形状、大小,并采用分层因子Fa和毛刺因子Km重点对孔出口侧的分层和毛刺等制孔缺陷进行评价,如

图4 分层因子和毛刺因子
Fig.4 Delamination factor and burrs factor
为分析直线刃型和圆弧刃型新钻型的制孔缺陷形成过程,在主轴转速n=2 000 r/min和进给速度vf=105 mm/min,210 mm/min下,采用Tz1和Tq1进行钻削试验,观测两种钻型结构在不同钻削深度的制孔缺陷。由

图5 新钻型制孔缺陷的形成
Fig.5 Formation of the defects of the novel drills
(1) 当Tz1和Tq1的钻削深度H0分别为6.3和7.3 mm时,钻头钻尖Ⅰ刚好钻出CFRP板,该阶段制孔效果较差,存在大量未被切除的纤维,而且孔边缘隆起十分明显(孔边缘产生分层缺陷的外观表现),该阶段两种钻型结构的制孔效果没有显著差异。
(2) 当钻削深度H0=8.1 mm时,扩削刃Ⅱ即将完成钻削,与上一阶段相比,该阶段制孔毛刺和分层有所减少,尤其是Tz1刀具的制孔效果,可见,该阶段直线刃钻型结构的制孔效果明显优于圆弧型的。
(3) 当钻削深度H0=13.3和13.7 mm时,分别是多刃尖Ⅲ即将钻出和恰好钻出的过程,由
(4) 当钻削深度H0=19 mm时,第二扩削刃Ⅳ完成了制孔,终孔最终形成,与上一阶段相比,制孔缺陷均得到非常显著的减小,尤其是直线型钻头的制孔更为明显。因此,第二扩削刃Ⅳ对上阶段的制孔缺陷具有修整功能。此外,两种钻型的第二扩削刃Ⅳ结构完全一致,理论上,该阶段对制孔缺陷的修整效果是一致的,然而,最终制孔缺陷以直线刃型的更优,因此,可以推断产生这样结果的原因是圆弧刃型多刃尖Ⅲ钻削过程中孔边材料不能轻易切除所导致的。
由上可见,两种钻型均能有效降低制孔缺陷,其中,多刃尖Ⅲ和第二扩削刃Ⅳ对制孔缺陷的显著减小有着极为关键的作用。然而,两者在钻尖Ⅰ、扩削刃Ⅱ和多刃尖Ⅲ的钻削阶段均存在一定差异,从制孔缺陷的形成过程来看,直线型的制孔效果要优于圆弧型的。
在CFRP钻削制孔中,一方面,钻削轴向力是影响制孔缺陷的主要因素,控制轴向力大小可有效降低制孔缺陷,另一方面,轴向力的变化规律直接反映制孔过程中的瞬时钻削状

图6 钻削轴向力的时变曲线
Fig.6 Time-varying curves of the trust force
由
以上过程中,AB段的轴向力均值最大(此段,Tz1钻头的约115.7 N,Tq1钻头的约235.9 N),其次是EF段(Tz1钻头的约58.7 N,Tq1钻头的约65.5 N)。而CD段(此段,Tz1钻头的轴向力约12.4 N,Tq1钻头的轴向力约14.7 N)和GH段(此段,Tz1钻头的最大轴向力均值约8.7 N,Tq1钻头的最大轴向力均值约10.2 N)的轴向力最小,但CD段与GH段的最大值相差不大(Tz1钻头的相差约3.7 N,Tq1钻头的轴向力约4.5 N)。此外,采用Tz1钻头所获得的AB段轴向明显高于Tq1钻头的,但CD段、EF段、GH段的小于Tq1钻头。从轴向力大小来看,CD段和GH段对加工缺陷的控制具有积极意义,尤其是GH段。研究表明,CD段的轴向力稳定在很小值范围内,利于加工缺陷的控制和防止分层的继续扩展,而GH段是孔的最终形成阶段,轴向力极小,且呈逐渐减小的趋势,为确保该阶段不继续产生加工缺陷和去除上一阶段加工缺陷的实现提供条件,对大幅度降低甚至去除加工缺陷的实现较为关
由此可见,AB段轴向力大小实质上对最终制孔缺陷形成的影响极小;从降低轴向力方面看,直线刃型(Tz1)对抑制制孔缺陷的形成要优于圆弧刃型(Tq1);EF段和GH段为V型刃(即多刃尖Ⅲ和第二扩削刃Ⅳ)钻削阶段,是终孔最终形成阶段,对最终制孔缺陷的形成至关重要。
基于以上分析,重点针对EF段和GH段的最大轴向力均值(EF段和GH段轴向力的最大均值分别为Ft3和Ft4),从钻型结构和刀具材料两方面的影响进行分析。

图7 Tz1和Tq1轴向力的变化规律
Fig.7 Thrust forces change rule of Tz1and Tq1
基于以上分析,可知直线刃型钻头的制孔过程对抑制制孔缺陷的形成更为显著,因此,重点针对直线刃型分析硬质合金钻头(Tz1)和PCD钻头(Tz2)的轴向力变化规律,如

图8 Tz1和Tz2轴向力的变化规律
Fig.8 Thrust forces change rule of Tz1and Tz2
由
在CFRP钻削制孔中,毛刺、分层等制孔缺陷严重影响制孔质量和构件使用性能,是制孔质量的重要参考指标,因此,以分层因子和毛刺因子为评价方法,分析新钻型结构、刀具材料对制孔质量的影响规律。

图9 Tz1和Tq1分层、毛刺缺陷的变化规律
Fig.9 Delamination and burrs changs of Tz1and Tq1
基于以上分析,可知直线刃型钻头的制孔缺陷要小,因此,重点针对直线刃型分析硬质合金钻头(Tz1)和PCD钻头(Tz2)的制孔效果,如


图10 Tz1和Tz2分层、毛刺缺陷的变化规律
Fig.10 Delamination and burrs changes of Tz1and Tz2
(1)从制孔缺陷的形成过程和降低轴向力来看,直线刃和圆弧刃新钻型均能有效降低制孔缺陷,其中,两种钻型的多刃尖Ⅲ和第二扩削刃Ⅳ对制孔缺陷的显著减小有着极为关键的作用,尤其是第二扩削刃Ⅳ。
(2)当主轴转速低于4 000 r/min时,圆弧型的毛刺因子要大于直线刃型的,当主轴转速高于3 000 r/min时,一旦进给速度高于210 mm/min,直线刃型的毛刺因子将大于圆弧型的。由此可见,直线刃型的制孔效果要优于圆弧型的,尤其是直线刃型的第二扩削刃Ⅳ对制孔缺陷的修整效果,但随着主轴转速和进给速度的增大,直线刃新钻型抑制毛刺缺陷的能力将降低。
(3)在降低轴向方面,PCD新钻型的多刃尖Ⅲ和第二扩削刃Ⅳ均优于硬质合金新钻型的,而且,PCD新钻型的最终制孔质量明显优于硬质合金新钻型的,因此,与硬质合金新钻型相比,PCD新钻型多刃尖Ⅲ和第二扩削刃Ⅳ对制孔缺陷的抑制效果均要优于硬质合金新钻型,因此,PCD新钻型抑制制孔缺陷的效果具有绝对优势。
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