摘要:探討了獲得鉆削碳纖維復合材料高質量孔的兩個關鍵因素：保持鉆頭切削刃的良好鋒利性和采用高的鉆削速度。指出了采用厚膜CVD金剛石鉆頭進行高速鉆削加I是獲得高質量孔的良好方法。
　　在鉆削碳纖維復臺材料(CFRP)時出現的制孔缺陷可以分為兩類，第一類是普遍存在的幾何缺陷，如孔的尺寸誤差、圓度誤差、位置誤差等，這些缺陷在金屬構件中最為常見，解決方法也與金屬加工過程中采取的措施類似；第二類則是碳纖維復合材料所特有的制孔缺陷，主要是孔壁周圍材料分層，出口撕裂、起毛，入口劈裂等，有關這類缺陷的防治是研究碳纖維復合材料高質量孔的鉆削技術的重點。
　　本課題將針對第二類缺陷的防治進行高質量孔鉆削的研究，并通過金剛石鉆頭和硬質合金鉆頭的高速鉆削試驗驗證這一思路。
　　1 試驗方法
　　鉆削試驗在自行研制的復合材料立式高速鉆削試驗臺上進行。工件材料為多向碳纖維復合材料板，整體厚度為2.5mm，單層厚度約為O.125mm。試驗中選用的鉆削速度為10,000～30,000r/min，采用金剛石、硬質合金和高速鋼3種材質的鉆頭，鉆頭直徑均為6mm。
　　出口撕裂是鉆孔最直觀的缺陷，所以以出口撕裂值l作為孔外觀質量的衡量參數。分層是在碳纖維復合材料鉆削加工中出現于板材內部的一種主要缺陷，分層缺陷的大小可以代表孔內部質量的高低。用氯化金滲透液檢測法檢測鉆削孔的分層情況，各層問分層的大小用分層尺寸L來衡量。
　　2 獲得高質量孔的關鍵因素
　　在前面提到的第二類缺陷中，分層、撕裂、劈裂等主要是由于鉆削力過大而引起切削應力超過碳纖維復合材料本身材料強度極限造成的，起毛主要足由于鉆頭的切削刃鋒利性差造成的。切削刃鋒利性差在造成鉆頭切削性能下降的同時，也會導致鉆削力的增大，所以切削刃的鋒利性差也是造成分層、撕裂、劈裂缺陷的主要原因之一。因此提高切削刃的鋒利性就成為鉆削高質量孔首先要解決的問題。

圖1 鉆孔數與鉆孔質量的關系

　　切削刃的鋒利性對鉆孔質量的影響是明顯的。圖1為新刃磨好的兩種材質鉆頭的鉆孔數與鉆孔質量關系的試驗曲線。由圖1可見，兩種鉆頭隨鉆孔數的增加表現是一致的，在初始鉆削階段加工的孔質量較好，鉆孔數達到一定數量后，鉆頭切削刃的鋒利性下降，鉆削力增大，孔的質量變羞。由于硬質合金比高速鋼的硬度高，硬質合金鉆頭切削刃的鋒利性保持的時間較長，所以硬質合金鉆頭鉆出的優質量扎的個數也多，在鉆頭切削刃具有良好鋒利性的前提下，高的鉆削速度是獲得高質量孔的另一個關鍵。高速鉆削具有以下幾方面好處：(1)進給速度vf=n·f在保持生產效率(即進給速度)不變的前提下，主軸(鉆頭)轉速 n越高，進給量f就越小，鉆削力也就越低；(2)高的轉速可使鉆頭在切削時保持小的切削厚度，因此在鉆削過程中任何殘留纖維和樹脂都能及時切除，不致因其積留過多而在某一時刻引起鉆削力過大造成撕裂、起毛等缺陷；(3)高速鉆削可以獲得優質孔壁表面微觀質量，在24,000r/min高速下鉆削出的多向 CFRP孔，其孔壁表面各個部位均平整光滑，即使是在彎曲剪切型切削區域內，孔壁表面也役有凹坑等不良現象產生。

圖2 CFRP孔出口照片(n=30,000r/min)

　　圖2為新刃磨好的硬質合金鉆頭在30,000r/min高速下鉆削碳纖維復合材料板孔的出口照片，由圖2可以看到，孔的出口表面沒有撕裂、起毛等缺陷，孔的形狀很規則，質量良好。
　　綜上所述，保證獲得高質量孔的關鍵岡素有兩個：一個是保持鉆頭切削刃的良好鋒利性；另一個是采用高的鉆削速度。兩者間是相互依存的關系，前者是后者的前提，后者是獲得高生產率和前者充分發揮作用的保障。
　　3 金剛石鉆頭鉆削技術
　　金剛石具有硬度高、耐磨損、摩擦系數小、導熱性好等優點，金剛石鉆頭在鉆削碳纖維復合材料時比硬質合金和高速鋼具有更大的優勢，因此，采用它鉆削碳纖維復合材料具有重要的意義。本課題研究了采用厚膜CVD金剛石鉆頭鉆削碳纖維復合材料的鉆削技術。
　　3.1 厚膜CVD金剛石鉆頭的制作
　　CVD金剛石是采用化學氣相沉積(CVD)的方法制備出來的一種全晶質多品純金剛石材料，它可以呈膜狀附著于基底表面，亦可以是脫離基底的純金剛石厚片。本文稱后者為厚膜CVD金剛石，它的物理性能和天然金剛石非常接近，化學性質則完全相同。

　　圖3 粘結厚膜CVD金剛石鉆頭照片
　　入口 出口

圖4 金剛石鉆頭鉆削CFRP孔入、出口的照片(n=10,000r/min，uf=40mm/min)

(a)出口

(b)入口

圖5 不同鉆頭鉆削孔分層尺寸的對比(n=10,000r/min，vf=40mm/min)

　　本課題在刀片與刀體的連接工藝上分別采用了粘結和焊接兩種方法，設計制造出了適合鉆削CFRP的兩種厚膜CVD金剛石鉆頭。粘結的厚膜CVD金剛石鉆頭采用 O.7mm厚的CVD金剛石膜片作為刀片，粘結劑采用常用的磷酸氧化銅無機膠，甲(氧化銅粉末)、乙(磷酸溶液)兩組分配比為1:(3.5～5.0)；焊接的CVD金剛石鉆頭刀體材料為A3鋼，刀片厚度0.85mm；刀槽寬度1.45mm，單邊間隙0.3mm用于放置片狀焊料，采用真空釬焊法連接，焊接溫度為900℃。圖3為制造出的粘結厚膜CVD金剛石鉆頭的照片，鉆頭直徑為6mm。
　　3.2厚膜CVD金剛石鉆頭鉆削孔的質量
　　
　　1. 孔入、出口質量
　　圖4為厚膜CVD金剛石鉆頭鉆削CFRP孔的入、出口照片。由圖4可以看到，孔的入口和出口的形狀非常規則、整潔，完全沒有撕裂、劈裂、起毛等缺陷。孔的入、出口表面質量明顯優于相同條件下利用高速鋼鉆頭和硬質合金鉆頭鉆削孔的表面質量。
　　2. 孔壁分層情況
　　圖 5為相同鉆削條件下金剛石鉆頭和硬質合金鉆頭鉆削孔的層間分層尺寸對比情況。由圖5可以看到，前者明顯小于后者，金剛石鉆頭鉆削孔只在孔出、入口的1/2 層層間存在分層，在更深的其他各層間均無分層出現；而硬質合金鉆頭鉆削孔在孔出、入口幾個層間都存在分層。從分層角度講，金剛石鉆頭鉆削孔的質量明顯優于硬質臺金鉆頭鉆削孔的質量。
　　從金剛石鉆頭鉆削碳纖維復合材料孔層間分層照片可以看出，入口側1/2層層問分層形狀與硬質合金鉆頭鉆削孔的層間分層形狀基本相同，近似為圓形；出口側1/2層層間在7L邊附近有不連續的很小尺寸分層。無論是入口側還是出口側，2/3層層問及其以下各層間均無分層。
　　由前面試驗結果可以發現，金剛石鉆頭在高速鉆削情況下加工出的孔的質量非常好。與有關碳纖維復合材料制孔標準對照，其質量明顯已超出這個標準的要求。出現這種結果，主要有以下幾方面原因。
　　1. 厚膜CVD金剛石鉆頭切削刃的鋒利性好。一般新刃磨好的金剛石刀具，其切削刃刃口半徑rβ=0.1～O.5µm，它可以做到將單根纖維(直徑為7～8µm)分多次切除。金剛石鉆頭鋒利的切削刃使得在鉆削進給量非常小的情況下也能保持良好的切削性，同時鋒利的切削刃使鉆削力變得非常小，在鉆削孔的整個過程中，鋪削力均小于缺陷產生的臨界鉆削力：
　　2. 金剛石刀片的摩擦系數小。金剛石與各種會屬、非金屬材料摩擦的磨損量僅為硬質合金的1/50～1/800，極低的摩擦系數可減小切削力和變形量，從而獲得良好的表面加工質量。
　　3. 金剛石硬度高，耐磨性好，金剛石鉆頭在鉆削CFRP過程中，能長時問保持自身切削刃鋒利性不變，鉆頭耐用度非常高，鉆孔質最穩定性非常好。金剛石硬度高，耐磨性好，金剛石鉆頭在鉆削高速鉆削是獲得高質量孔的保障。本課題采用的高速鉆削可在加工效率提高或不變的前提下有效地減小進給量，迸紿量越低，鉆削力越小，當鉆削力小到不足以產生分層、撕裂、劈裂等各種缺陷時，即可獲得高質量的鉆削孔。
　　
　　4 結束語
　　保證獲得鉆削碳纖維復合材料高質量孔的關鍵因素有兩個：一個是保持鉆頭切削州的良好鋒利性；男一個是采用高的鉆削速度。高速鉆削試驗及分層檢測試驗表明，厚膜CVD金剛石鉆頭鉆削CFRP的孔質量非常好，它在碳纖維復合材料鉆削加工中具有巨大的應用潛力。