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1、2 0 0 9 年6 月第3 期总第1 7 1 期金刚石与磨料磨具工程D i a m o n d&A b r a s i v e sE n g i n e e r i n gJ u n 2 0 0 9N o 3S e r i a l 1 7 1文章编号：1 0 0 6 8 5 2 X(2 0 0 9)0 3 0 0 3 8 0 5电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料研究鲍永杰高航李凤全(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，大连l1 6 0 2 4)摘要碳纤维复合材料钻孔加工时极易产生分层、毛刺、撕裂等缺陷，是典型的难加工材料。针对碳纤维复合材料特点，以电镀金刚石钻头为研究对象，从钻削轴向力
2、、钻孔出口质量等方面分析电镀金刚石钻头钻孔特点，并与硬质合金麻花钻进行对比，得出结论：电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料时钻削轴向力较小，钻削质量较好，更适合于碳纤维复合材料的加工；钻头转速提高有利于减小钻孔缺陷的产生，钻削轴向力随钻头转速的升高而降低，随钻头直径的增大而增大；最后，通过多元线形回归方法得出电镀金刚石钻头钻削力经验公式。关键词碳纤维复合材料；电镀金刚石钻头；钻削轴向力；缺陷中图分类号T G 7 4；T Q l 6 4文献标识码AR e s e a r c h e so nd r i l l i n gC F R P(c a r b o nf i b e rr e i n f o
3、r c e dp l a s t i c s)w i t hd i a m o n de l e c t r o p l a t e dd r i l lb i tB a oY o n g j i eG a oH a n gL iF e n g q u a n(K e yL a b o r a t o r yf o rP r e c i s i o n&N o n t r a d i t i o n a lM a c h i n i n go fM i n i s t vo fE d u c a t i o n，D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h
4、n o l o g y，D a l i a n1 16 0 2 4，C h i n a)A b s t r a c tC a r b o nF i b e rR e i n f o r c e dP l a s t i c s(C F R P)i Sak i n do ft y p i c a ld i 伍c u l t t o m a c h i n em a t e r i a lw h i c hf i r ep r o n et od i s f i g u r e m e n t ss u c ha sb u r r s，d e l a m i n a t i o na n da v
5、 u l s i o nw h i l ed r i l l i n g F o c u s i n go nt h e s ep r o b l e m s，t h ea u t h o r sc o n d u c t e de x p e r i m e n ti n v e s t i g a t i o n so nC a r b o n E p o x yc o m p o s i t e s(ak i n do fC F R P)D r i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd i a m o n de l e c t r o p
6、l a t e db i tW a ss t u d i e db ya n a l y z i n gi t sd r i l l i n gf o r c e，d r i l l i n gq u a l i t)re r e，a n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo fc a r b i d et w i s td r i l l T h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s：c o m p a r e dw i t hc a r b i d et w i
7、 s td r i l lb i t，d i a m o n de l e c t r o p l a t e dd r i l lb i ti sm o r es u i t a b l ef o rd r i l l i n gC F R P，a n dw i t hl o w e rd r i l l i n gf o r c e，b e t t e rd r i l l i n gq u a l i t y；H i g hs p e e dd r i l l i n gi sf a v o r a b l ef o rm i n i m i z i n gt h ed r i l l
8、i n gd i s f i g u r e m e n t s，a n dt h ea x i a lf o r c ed e c r e a s e sw i t ht h es p e e di n c r e a s i n g，a n di n c r e a s e sw i t hl a r g e rb i td i a m e t e r；F i n a l l y，t h ed r i l l i n gf o r c ee m p i r i c a lf o r m u l ao fd i a m o n de l e c t r o p l a t e dd r i
9、l lW a sg a i n e db yt h em e t h o do fm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n K e y w o r d sC F R P；d i a m o n de l e c t r o p l a t e dd r i l l；d r i l l i n gf o r c e；d i s f i g u r e m e n to 引言篓器髫蛊关票嚣喜篆耋兰蓑孟至碳纤维复合材料由于具有比强度高、硬度高、耐腐的难度，严重制约了复合材料的大规模应用。在航空基金项目：国家自然科学基金(5 0 8 7 5 0 3 4
10、)万方数据第3 期鲍永杰等：电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料试验研究3 9制造领域的铆接和固定结构件上，硬质合金麻花钻头作为一种传统的经济有效的刀具仍然存在于生产领域。但在新型材料加工方面，硬质合金麻花钻头存在着耐用度偏低、出口质量无法保证等瓶颈。在钻孔时，硬质合金麻花钻头的横刃首先接触复合材料，横刃为负前角切削，横刃产生的钻削力占总钻削力的4 0 一6 0，且随着横刃的增大钻削力呈增大趋势。在钻孔出口处，硬质合金麻花钻头切削刃的边缘处是一个点，难以切断直径极t b(7 1 0C m)、硬度高(H R C 6 2 6 5)的碳纤维，这就需要研制出新型的刀具来满足生产加工的要求。国内外的学者研究
11、发现复合材料钻孔，分层等缺陷与钻削力密切相关，减小钻削力可以有效降低出口分层缺陷的发生 2-4 。多数发表的文献和资料只将硬质合金麻花钻头的材料、几何参数和进给速度与钻孔分层等缺陷综合起来研究口面J。关于电镀金刚石钻头钻孔方面的相关研究发表的较少。本文针对碳纤维复合材料特点，以电镀金刚石钻头为研究对象，并与硬质合金麻花钻头进行对比，分别对钻削力和钻削出口质量等方面进行分析。1 试验设备与材料1 1 试验材料本文以碳纤维增强复合材料板为试验材料，进行钻孔试验研究。该碳纤维增强复合材料的增强体是1 3 0 0 型碳纤维，基体材料是A G 一8 0 型树脂，在预浸处理后铺层预置而成。试验时先将碳纤维
12、复合材料板用电镀金刚石锯片切割成大小为6 0n l l n 1 0 0r a i n 的矩形，其具体参数如表1 所示。表1 碳纤维复合材料性能表T n b 1P a r a m e t e r so fc a r b o nf l b e rc o m p o s i t em a t e r i a l s材料参数增强材料基体材料铺层形式纤维体积比试验板厚度1 r 3 0 0A G 一8 04 5 0 O。9 0。0。(6 0 5)4m i l l1 2 试验设备为进行碳纤维复合材料的钻削试验。研究刀具在不同工艺参数下对钻削力和钻孔质量的影响，搭建了高速钻削试验台。系统流程图如图1 所示，该
13、系统由机床部分和钻削力测量系统组成。钻削力测量系统由钻削测力仪、电荷放大器、A D 信号采集卡和一台计算机等组成。钻削测力仪采用大连理工大学机械工程学院传感测控研究所研制的Y D Z 1 10 1W 无定心钻削测力仪，采用压电石英式力传感器，可用来测量钻削扭矩和钻削轴向力。电荷放大器型号为Y G 5 8 5 0。在钻削试验时，测力仪内的压电石英传感器将钻削扭矩和轴向力转换成相应大小电的荷值，并由电荷放大器和A D 信号采集卡将其转化成数值信号，供计算机进行记录和数据分析处理。在钻削试验时，测力仪得到的钻削力，由计算机记录和分析处理。为提高试验数据的准确性，每个试验重复两次。网M电A Dl!：三
14、荷信钻削测力仪匹写放争号粈磤机钻削测力系统原理示意图3 试验使用的刀具试验均采用干式切削，主轴转速为30 0，0 0，90 0 和1 20 0r m i n 四种转速，进给速度采用1 5 和2 5m m i n。试验中采用硬质合金麻花钻头镀金刚石钻头两种刀具，其直径分别为5m 和6n l 两种规格，如图2 所示。)使质合金麻花钻头)电镀金刚石钻头试验刀具的照片图万方数据4 0金刚石与磨料磨具工程总第1 7 1 期2 试验结果与分析2 1 钻削出口质量的对比分析钻孔出口的照片观察如图3 所示。图3 a 为硬质合金麻花钻头在转速为60 0 0r m i n，进给速度为1 5r a m r a i
15、n 参数下出口照片的图，图3 b 为相同参数下电镀金刚石钻头钻孔的出口照片图；以出口毛刺数量为标准评价出口质量，图3 a 中毛刺的数量大于图3 b 中出口毛刺的数量。图3 c 为硬质合金麻花钻头在机床的主轴转速90 0 0r m i n，进给速度为1 5m m m i n 参数出口照片图，图3 d 为相同参数下电镀金刚石钻头钻孔的出口照片图；其中图3 d 中毛刺的数量要少于图3 c 毛刺的数量。通过上面的分析，这说明电镀金剐石钻头钻孔可以有效抑制毛刺缺陷的产生。对比图3 a 和图3 c，图3 a 中出口毛刺的数量远大于图3 c 中出口毛刺的数量，这说明提高主轴转速，可以减少毛刺缺陷的产生。2
16、2 钻削力的对比与分析将试验中电镀金刚石钻头和硬质合金麻花钻头二者的钻削轴向力特征曲线进行对比如图4 所示，可以看出两者钻削轴向力特征曲线的不同。硬质合金麻花钻头的钻削轴向力特征曲线呈三角形特征，当钻头钻透复合材料板时钻削轴向力逐渐下降；电镀金刚石钻头的钻削轴向力特征曲线呈矩形波特征，当钻头钻穿复合材料板时，钻削轴向力迅速下降为零。硬质合金麻花钻头在进行钻孔时，横刃的负前角切削使得切削力急剧增大；电镀金刚石钻头钻削轴向时，有大量的切削刃参与切削，使得钻削轴向力较小。从图4 的钻削轴向力对比也可以看出，电镀金刚石钻头比硬质合金麻花钻头获得更小的钻削轴向力，因此也更不容易产生分层缺陷。对钻削，进给
17、速度是影响复合材料钻孔质量的一个重要的切削参数。研究表明在对材料进行钻削时，随着进给速度的增加轴向力会显著增大。在图5 中，轴向力随进给速度变化而变化的趋势如下：试验中两种类型的钻头产生钻削轴向力，均随着进给速度的增加呈现明显增大趋势；电镀金刚石钻头比硬质合金麻花钻头产生钻削轴向力的增加值小。按照钻削轴向力的值，对分层缺陷的特征进行分析。在三种不同的进给速度，在钻头相同直径条件下，电镀金剐石钻头产生的钻削轴向力均小于硬质合金麻花钻头产生的钻削轴图3 钻孔出口图(d=6 r n m f=1 5 m m m i nJ向力。即，电镀金刚石钻头的钻削性能要优于硬质麻花钻头。刀具直径对钻削轴向力的影响趋
18、势如图5 所示，万方数据第3 期鲍永杰等：电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料试验研究4 11 0 0 0l5 2 0 0 02 5 0 03 0 0 0采样点(I)硬质合金麻花钻头钻削轴向力特征圈O1 0 0 02 咖3 0 0 04 0 0 05 0 0 06 0 0 07 0 0 0采什点(b)电馈台刚石钻头钻削轴向力特征用图4 不同刀具钻削轴向力随时间变化特征图根据钻头直径的不同，对钻削力图中相同进给速度下的钻削轴向力值进行分析：图5 中曲线表明，硬质合金麻花钻头直径对于钻削轴向力的影响显著；随着直径增加硬质合金麻花钻头较电镀金刚石钻头钻削轴向力的增加值要大，因此也更容易产生分层缺陷。图5
19、 两种类型刀具不同进给速度下轴向力图以主轴转速变化为参数，分析其对钻削轴向力的影响如图6 所示。进给速度为2 5m m r n i n，主轴转速在60 0 0 1 20 0 0r m i n 范围内，钻削轴向力的曲线图；图中钻削轴向力随着主轴转速的增加呈递减趋势。在图6 中，直径为5m m 电镀金刚石钻头产生的力值曲线，在直径为5m l n 硬质合金麻花钻头产生的力值曲线的下方。对比直径为6m m 电镀金刚石钻头产生的力值曲线，与直径为6m m 硬质合金麻花钻头产生的力值曲线，也得到结论：电镀金刚石钻头比硬质合金麻花钻头产生的钻削轴向力小，表明在主轴转速在(60 0 0 1 20 0 0r r
20、 a i n)范围内电镀金刚石钻头的钻削性能最优。J 3 01 2 0l l O1 0 0z9 0杂8 0萎7 06 05 04 03 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 D1 20 0 0钻头转速(d m i n)图6 两种类型刀具不同转速轴向力图观察图3 中出口分层缺陷的大小，并结合钻削轴向力的值对出口分层缺陷进行分析。从图6 可以看出，对应参数下电镀金刚石钻头与硬质合金麻花钻头产生的钻削轴向力相差较大；产生较大钻削轴向力的硬质合金麻花钻头在出口图上产生的钻削出口分层的面积大于电镀金刚石钻头钻削产生分层的面积。通过不同切削参数下的对切削力、钻孔缺陷的对
21、比分析得出：电镀金刚石钻头比硬质合金麻花钻头产生更小的钻削轴向力和钻削出口缺陷，用于复合材料的钻孔加工可以获得更好的加工效能。2 3 钻削力半经验公式的推导分析切削参数(钻头直径，进给速度和主轴转速)对复合材料钻削时钻削轴向力的影响，对试验得到的数据进行方差分析，并推出钻削轴向力的半经验公式。用得到的公式代入相应的参数，就可以计算钻削时所产生的轴向力，实现预测钻削出口缺陷大小的目的。一般的三元线性回归关系式如公式1 所示：Y=口l+口2 茗2+口3 石3+a 4 x 4(1)因此，将本试验中切削参数与钻削轴向力的关系式记为：F(d I，1)=a l+a 2 d+o，+a 4 n(2)其中a；(
22、i=1，2，3，4)为经验常数，这个常数决定钻削轴向力的值。d、厂和n 分别指钻头直径、进给速度万方数据4 2金刚石与磨料磨具1=程总第1 7 1 期和主轴转速三个切削参数。计算得到电镀金刚石钻头钻削轴向力，公式如下：F(d 乒，1)=一8 4 4 7+2 1 2 0 d 一2 0 4 2 n+0 0 0 9 8 f(3)校正判定系数R 是判断线性回归直线拟合度的重要指标，判定系数尺越接近l，说明拟合效果越好。参数d,f，凡对切削力F 的相关系数为K(i=d，f，r,)，V i 表示参数与切削力F 的相关程度，其值越接近1，说明该参数对公式的作用越显著。回归模型校正R 判定系数值和参数i 相关
23、系数的值见表2 所示。刀具产生钻向力计算公式的相关系数尺均大于0 9，说明采用该公式计算能够获得较准确的结果。采用得出半经验公式对实际钻削轴向力的模拟计算，通过计算得到的钻削轴向力，来预测复合材料钻孔出口分层、撕裂等缺陷的大小。表2 回归分析数据表T a b 2D a t ao fi nm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n电镀金刚石钻头巳O 9 4 60 9 9 60 9 9 70 9 9 73结论本文就新型刀具和传统刀具，在复合材料时加工试验方面进行了钻孔效果和钻削轴向力的对比分析。通过分析，得出如下结论：(1)对钻削力、钻削质量的对比可
24、知，在相同条件下与硬质合金麻花钻对比，电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料时，钻削轴向力较小，钻削质量较好，更适合于碳纤维复合材料加工。(2)提高钻头转速有利于减小钻孔缺陷的产生，钻削轴向力随钻头转速的增加而减小，随钻头直径增大而增大。(3)钻削轴向力和切削参数之间的关系可以通过线性回归分析法得出。在此基础上推得钻削轴向力的半经验公式，该半经验公式用来计算某个具体切削参数下的轴向力，从而达到预测钻削出口质量的目的。参考文献 1 汪裕炳，张全纯复合材料的结构连接 M 北京：国防工业出版社1 9 9 2：1 2 2 1 3 2 2 H o c h e n gH，T s a oCC E f f e c
25、t so fs p e c i a ld r i l lb i t so nd r i l l i n g i n d u c e dd e l a m i n a t i o no fc o m p o s i t em a t e r i a l s J I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM a-c h i n eT o o l sa n dM a n u f a c t u r e。2 0 0 6，4 6(1 2 一1 3)：1 4 0 3 1 4 1 6 3 T s a oCC E x p e r i m e n t a ls t u d
26、 yo fd r i l l i n gc o m p o s i t em a t e r i a l sw i t hs t e p-c o r ed r i l l J M a t e r i a l s a n dd e s i g n，2 0 0 8，2 9(9)：1 7 4 0 1 7 4 4 4 J i nzJ，B a oYJa n dG a oH D i s f i g u r e m e n tf o r m a t i o na n dc o n t r o li nd r i l l i n gc a l b o r lf i b r er e i n f o r c e
27、 dc o m p o s i t e s J I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM a t e r i a l sa n dP r o d u c tT e c h n o l o g y，2 0 0 8，31(1)5 K a r n i kSR，G a i t o n d eVN D e l a m i n a t i o na n a l y s i si nh i s hs p e e dd r i l l i n go fc a r b o nf i b e rr e i u f o r e e dp l a s t i c su s
28、i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e l J M a t e r i a l sa n dd e s i g n，2 0 0 8，2 9(9)：1 7 6 8 1 7 7 6 6 张厚江，陈五一，陈鼎昌碳纤维复合材料切削机理的研究 J 航空制造技术，2 0 0 4(7)作者简介鲍永杰，男，大连理工大学机械学院博士生，研究专业：机械制造与自动化。E-m a i l：y o n g j i e1 9 8 0 1 6 3 c o m(修回日期：2 0 0 9-0 3 一1 6)(编辑：张慧)万方数据电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合
29、材料研究电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料研究作者：鲍永杰，高航，李凤全，Bao Yongjie，Gao Hang，Li Fengquan作者单位：大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,大连,116024刊名：金刚石与磨料磨具工程英文刊名：DIAMOND&ABRASIVES ENGINEERING年，卷(期)：2009，(3)引用次数：0次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.汪裕炳.张全纯 复合材料的结构连接 19922.HochengH.Tsao CC Effects of special drill bits on drilling-induced delamination of c
30、ompositematerials 2006(12-13)3.Tsao C C Experimental study of drilling composite materials with step-core drill 2008(9)4.Jin Z J.Bao Y J.Gao H Disfigurement formation and control in drilling carbon fibre reinforcedcomposites 2008(1)5.Karnik S R.Gaitonde V N Delamination analysis in high speed drilli
31、ng of carbon fiber reinforcedplastics using artificial neural network model 2008(9)6.张厚江.陈五一.陈鼎昌 碳纤维复合材料切削机理的研究期刊论文-航空制造技术 2004(7)相似文献(2条)相似文献(2条)1.学位论文 孟宪超 碳纤维复合材料钻孔加工工艺研究 2005 本文以碳纤维复合材料的二元切削为对象，在分析了碳纤维复合材料在切削过程中的切削变形、切屑形成等问题基础上。针对其中一种切削变形方式，对二元切削的切削力进行了理论推导。并对钻削过程中产生的轴向力进行了理论推导，给出了各个钻削参数与轴向力之间的关系
32、。搭建了复合材料高速钻削试验系统。该试验系统可完成不同切削速度及不同进给量下钻削碳纤维复合材料的钻削力测定、钻头磨损及耐用度测定、钻型比较等试验，也可用于其他种类复合材料的高速钻削试验研究。在高速钻削试验装置上进行高速钻削试验，比较了实际现场钻削和高速钻削碳纤维复合材料的钻削力和加工质量。自行设计和制作了电镀金刚石钻头，与普通的硬质合金钻头做了钻削力对比试验，得出了许多有用的结论。分析了电镀金刚石工具切削纤维复合材料的特点，利用电镀金刚石钻头对碳纤维复合材料高速钻削时的钻削力进行了试验研究，探讨了切削参数变化对钻削力的影响，建立了主轴转速、进给速度、钻头直径影响的钻削力经验公式。利用电子显微镜
33、对碳纤维复合材料钻孔后的孔壁表面微观形态、孔的出入口的加工缺陷进行观察分析，研究了碳纤维复合材料的微观破坏机理，并根据试验结果讨论了钻削参数变化对加工缺陷的影响，提出的解决的办法。并对刀具磨损进行了观察分析，得到了许多有益的结论。2.学位论文 李凤全 碳纤维复合材料制孔缺陷及对策的试验研究 2008 碳纤维复合材料(CFRP)作为一种先进的复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，广泛应用于航空、航天和国防领域及汽车、电子信息和高速机械等民用领域。CFRP由于具有强度大、各向异性、导热性差等特点，尤其是其层间强度低，切削时在切削力的作用下容易
34、产生分层、撕裂等缺陷，钻孔时最为严重，加工质量难以保证，是典型的难加工材料。本文针对碳纤维增强复合材料钻削缺陷问题开展了理论分析与试验研究，对钻削过程、钻削力、刀具磨损堵塞等问题进行了试验研究，研究工作和取得的成果如下：(1)通过对碳纤维复合材料钻削常见的山口缺陷进行实验观察与分类，建立了山口缺陷的综合模型：提出了一种碳纤维复合材料出口毛刺缺陷按两种类型分类的思想，即型毛刺和型毛刺两种类型，对于撕裂和分层缺陷，提出并采用了面积因子方法进行评价。(2)通过单向碳纤维复合材料的单刃划痕试验，对材料的切削机理、缺陷产生机理进行试验研究与理论分析。将单向碳纤维复合材料简化为二元切削模型，分析了复合材料
35、在切削过程中的切削变形、切屑形成过程。通过试验和理论分析的方法研究了切削纤维角、切削速度对切削机理和缺陷形成的影响规律。(3)对碳纤维增强复合材料钻削轴向力进行了试验研究，分析了参数变化对钻削轴向力的影响；建立了综合考虑钻头直径、主轴转速、进给量等因素的钻削轴向力的力学模型，通过多元线性回归的方法建立了具有实用价值的碳纤维复合材料钻削轴向力经验公式：通过分析钻削轴向力与钻削缺陷特征关系及切削参数和缺陷面积因子之间的关系，预测了碳纤维复合材料的可加工工艺范围。(4)为解决碳纤维复合材料钻削存在的出口缺陷问题，研制开发了一种新型“钻扩”一体复合钻头。通过对新型“钻扩”一体复合钻头与硬质合金或电镀金刚石钻头制孔方法在刀具形式、钻削过程、钻削轴向力、出口质量等方面的对比，得到了“钻扩一体化”的制孔新方法明显优于传统的加工方法的结论。本文链接：http:/