摘要:探討了獲得鑽削碳纖維複合材料高質量孔的兩個關鍵因素：保持鑽頭切削刃的良好鋒利性和採用高的鑽削速度。指出了採用厚膜CVD金剛石鑽頭進行高速鑽削加I是獲得高質量孔的良好方法。
在鑽削碳纖維復台材料(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採取的措施類似；第二類則是碳纖維複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複合材料高質量孔的鑽削技術的重點。
本課題將針對第二類缺陷的防治進行高質量孔鑽削的研究，並通過金剛石鑽頭和硬質合金鑽頭的高速鑽削試驗驗證這一思路。
1 試驗方法
鑽削試驗在自行研製的複合材料立式高速鑽削試驗台上進行。工件材料為多向碳纖維複合材料板，整體厚度為2.5mm，單層厚度約為O.125mm。試驗中選用的鑽削速度為10,000～30,000r/min，採用金剛石、硬質合金和高速鋼3種材質的鑽頭，鑽頭直徑均為6mm。
出口撕裂是鑽孔最直觀的缺陷，所以以出口撕裂值l作為孔外觀質量的衡量參數。分層是在碳纖維複合材料鑽削加工中出現於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鑽削孔的分層情況，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、劈裂等主要是由於鑽削力過大而引起切削應力超過碳纖維複合材料本身材料強度極限造成的，起毛主要足由於鑽頭的切削刃鋒利性差造成的。切削刃鋒利性差在造成鑽頭切削性能下降的同時，也會導致鑽削力的增大，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鑽削高質量孔首先要解決的問題。
切削刃的鋒利性對鑽孔質量的影響是明顯的。新刃磨好的兩種材質鑽頭的鑽孔數與鑽孔質量關係的試驗曲線。可見，兩種鑽頭隨鑽孔數的增加表現是一致的，在初始鑽削階段加工的孔質量較好，鑽孔數達到一定數量后，鑽頭切削刃的鋒利性下降，鑽削力增大，孔的質量變羞。由於硬質合金比高速鋼的硬度高，硬質合金鑽頭切削刃的鋒利性保持的時間較長，所以硬質合金鑽頭鑽出的優質量扎的個數也多，在鑽頭切削刃具有良好鋒利性的前提下，高的鑽削速度是獲得高質量孔的另一個關鍵。高速鑽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(鑽頭)轉速n越高，進給量f就越小，鑽削力也就越低；(2)高的轉速可使鑽頭在切削時保持小的切削厚度，因此在鑽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鑽削力過大造成撕裂、起毛等缺陷；(3)高速鑽削可以獲得優質孔壁表面微觀質量，在24,000r/min高速下鑽削出的多向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。
新刃磨好的硬質合金鑽頭在30,000r/min高速下鑽削碳纖維複合材料板孔的出口照片，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：一個是保持鑽頭切削刃的良好鋒利性；另一個是採用高的鑽削速度。兩者間是相互依存的關係，前者是後者的前提，後者是獲得高生產率和前者充分發揮作用的保障。
3 金剛石鑽頭鑽削技術
金剛石具有硬度高、耐磨損、摩擦係數小、導熱性好等優點，金剛石鑽頭在鑽削碳纖維複合材料時比硬質合金和高速鋼具有更大的優勢，因此，採用它鑽削碳纖維複合材料具有重要的意義。本課題研究了採用厚膜CVD金剛石鑽頭鑽削碳纖維複合材料的鑽削技術。
3.1 厚膜CVD金剛石鑽頭的製作
CVD金剛石是採用化學氣相沉積(CVD)的方法製備出來的一種全晶質多品純金剛石材料，它可以呈膜狀附著於基底表面，亦可以是脫離基底的純金剛石厚片。本文稱後者為厚膜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。
本課題在刀片與刀體的連接工藝上分別採用了粘結和焊接兩種方法，設計製造出了適合鑽削CFRP的兩種厚膜CVD金剛石鑽頭。粘結的厚膜CVD金剛石鑽頭採用O.7mm厚的CVD金剛石膜片作為刀片，粘結劑採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金剛石鑽頭刀體材料為A3鋼，刀片厚度0.85mm；刀槽寬度1.45mm，單邊間隙0.3mm用於放置片狀焊料，採用真空釺焊法連接，焊接溫度為900℃。製造出的粘結厚膜CVD金剛石鑽頭的照片，鑽頭直徑為6mm。
3.2厚膜CVD金剛石鑽頭鑽削孔的質量
1.孔入、出口質量
厚膜CVD金剛石鑽頭鑽削CFRP孔的入、出口照片。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於相同條件下利用高速鋼鑽頭和硬質合金鑽頭鑽削孔的表面質量。
2.孔壁分層情況
相同鑽削條件下金剛石鑽頭和硬質合金鑽頭鑽削孔的層間分層尺寸對比情況。可以看到，前者明顯小於後者，金剛石鑽頭鑽削孔只在孔出、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；而硬質合金鑽頭鑽削孔在孔出、入口幾個層間都存在分層。從分層角度講，金剛石鑽頭鑽削孔的質量明顯優於硬質台金鑽頭鑽削孔的質量。
從金剛石鑽頭鑽削碳纖維複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鑽頭鑽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，金剛石鑽頭在高速鑽削情況下加工出的孔的質量非常好。與有關碳纖維複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。
a厚膜CVD金剛石鑽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。金剛石鑽頭鋒利的切削刃使得在鑽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鑽削力變得非常小，在鑽削孔的整個過程中，鋪削力均小於缺陷產生的臨界鑽削力：
b金剛石刀片的摩擦係數小。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，極低的摩擦係數可減小切削力和變形量，從而獲得良好的表面加工質量。
c金剛石硬度高，耐磨性好，金剛石鑽頭在鑽削CFRP過程中，能長時問保持自身切削刃鋒利性不變，鑽頭耐用度非常高，鑽孔質最穩定性非常好。金剛石硬度高，耐磨性好，金剛石鑽頭在鑽削高速鑽削是獲得高質量孔的保障。本課題採用的高速鑽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，鑽削力越小，當鑽削力小到不足以產生分層、撕裂、劈裂等各種缺陷時，即可獲得高質量的鑽削孔。
4 結束語
保證獲得鑽削碳纖維複合材料高質量孔的關鍵因素有兩個：一個是保持鑽頭切削州的良好鋒利性；另一個是採用高的鑽削速度。高速鑽削試驗及分層檢測試驗表明，厚膜CVD金剛石鑽頭鑽削CFRP的孔質量非常好，它在碳纖維複合材料鑽削加工中具有巨大的應用潛力。
