碳纤维复合材料高质量孔的钻削

碳纤维复合材料高质量孔的钻削

:探讨了获得钻削碳纤维复合材料高质量孔的两个关键因素：保持钻头切削 刃的良好锋利性和采用高的钻削速度，指出了采用厚膜CVD金刚石钻头进行高 速钻削加I是获得高质量孔的良好方法。

在钻削碳纤维复台材料(CFRP)时出现的制孔缺陷可以分为两类，第一类是普遍 存在的几何缺陷，如孔的尺寸误差、圆度误差、位置误差等，这些缺陷在金属构

件中最为常见，解决方法也与金属加工过程中采取的措施类似；第二类则是碳纤

维复合材料所特有的制孔缺陷，主要是孔壁周围材料分层，出口撕裂、起毛，入

口劈裂等，有关这类缺陷的防治是研究碳纤维复合材料高质量孔的钻削技术的重

点。

本课题将针对第二类缺陷的防治进行高质量孔钻削的研究，并通过金刚石钻头和

硬质合金钻头的高速钻削试验验证这一思路。 1 试验方法

钻削试验在自行研制的复合材料立式高速钻削试验台上进行。工件材料为多向碳

纤维复合材料板，整体厚度为2.5mm，单层厚度约为O.125mm。试验中选用的 钻削速度为10,000～30,000r/min，采用金刚石、硬质合金和高速钢3种材质的

钻头，钻头直径均为6mm。

出口撕裂是钻孔最直观的缺陷，所以以出口撕裂值l作为孔外观质量的衡量参数。分层是在碳纤维复合材料钻削加工中出现于板材内部的一种主要缺陷，分层缺陷

的大小可以代表孔内部质量的高低。用氯化金渗透液检测法检测钻削孔的分层情

况，各层问分层的大小用分层尺寸L来衡量。 2 获得高质量孔的关键因素 在前面提到的第二类缺陷中，分层、撕裂、劈裂等主要是由于钻削力过大而引起

切削应力超过碳纤维复合材料本身材料强度极限造成的，起毛主要足由于钻头的

切削刃锋利性差造成的。切削刃锋利性差在造成钻头切削性能下降的同时，也会

导致钻削力的增大，所以切削刃的锋利性差也是造成分层、撕裂、劈裂缺陷的主

要原因之一。因此提高切削刃的锋利性就成为钻削高质量孔首先要解决的问题。

切削刃的锋利性对钻孔质量的影响是明显的。新刃磨好的两种材质钻头的钻孔数

与钻孔质量关系的试验曲线。可见，两种钻头随钻孔数的增加表现是一致的，在

初始钻削阶段加工的孔质量较好，钻孔数达到一定数量后，钻头切削刃的锋利性

下降，钻削力增大，孔的质量变羞。由于硬质合金比高速钢的硬度高，硬质合金

钻头切削刃的锋利性保持的时间较长，所以硬质合金钻头钻出的优质量扎的个数

也多，在钻头切削刃具有良好锋利性的前提下，高的钻削速度是获得高质量孔的

另一个关键。高速钻削具有以下几方面好处：(1)进给速度vf=n?f在保持生产效率(即进给速度)不变的前提下，主轴(钻头)转速n越高，进给量f就越小，钻削力也就越低；(2)高的转速可使钻头在切削时保持小的切削厚度，因此在钻削过

程中任何残留纤维和树脂都能及时切除，不致因其积留过多而在某一时刻引起钻

削力过大造成撕裂、起毛等缺陷；(3)高速钻削可以获得优质孔壁表面微观质量，

在24,000r/min高速下钻削出的多向CFRP孔，其孔壁表面各个部位均平整光滑，

即使是在弯曲剪切型切削区域内，孔壁表面也役有凹坑等不良现象产生。 新刃磨好的硬质合金钻头在30,000r/min高速下钻削碳纤维复合材料板孔的出口

照片，可以看到，孔的出口表面没有撕裂、起毛等缺陷，孔的形状很规则，质量

良好。

综上所述，保证获得高质量孔的关键冈素有两个：一个是保持钻头切削刃的良好

锋利性；另一个是采用高的钻削速度。两者间是相互依存的关系，前者是后者的