纤维增强复合材料制孔刀具技术研究进展

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1、ResearchProgressofHole-MakingCuttingToolonFiberReinforcedPlastic上海交通大学明伟伟王昌赢魏莹莹安庆龙陈明明伟伟上海交通大学机械制造及自动化系博士研究生。主要从事难加工材料高效精密加工刀具和工艺优化、高效切削加工数据系统的建立和切削加工基础数据库研究。+国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题：航空航天用复合材料系列化刀具开发(2012ZX04003-031o34航空制造技术·2013年第14期纤维增强复合材料(FRP)将是21世纪应用最为广泛的材料之一。其高效高质量加工仍然需要不断研发新型专用刀具和改善加工工艺来

2、实现。专用FRP制孔刀具的设计、制造。刀具材料和涂层匹配。加工工艺优化是FRP加工的关键技术。纤维增强复合材料(FiberReinforcedPlastic，FRP)，如碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)和凯夫拉(Kevlar)纤维增强复合材料，以其质量轻、比强度高、比刚度大、减振和抗疲劳性能好、耐腐蚀等诸多优越性能，广泛应用于航空航天、交通运输、生物医疗及体育用品等领域【l圳。制孔是纤维增强复合材料制造过程中最重要的加工工序之一，在纤维增强复合材料应用广泛的民用大型客机上，制孑L工序占复合材料加工工作量的80％以上，一架波音747客机需要完成300多万个

3、连接孔的加工【4】。因此，制孔质量和效率直接关系到纤维增强复合材料零件的使用性能、生产周期和生产成本。由于FRP是由质软而粘性大的基体材料和强度高、硬度大的纤维增强材料混合而成的二相或多相结构材料，其各向异性、低热传导率、低层间结合强度使其成为典型的难加工材料【5】。因此，在FRP制孔过程中，除传统金属材料制孔缺陷(尺寸误差、圆度误差、位置误差和垂直度误差等)外，还表现为分层、出人口撕裂与毛刺、孔壁表面纤维拔出等。由于纤维硬度高，刀具在切削时极易受到基体中硬质点的刻划而产生磨损，并且由于切削热在切削刃附近积聚，使刀具磨损加剧[6-710在飞机制造领域的最终装配环节，由钻削分层缺陷导致的

4、复合材料叠层零件报废的比例高达60％f8】。研究表明，复材钻削分层和刀具磨损已成为纤维增强复合材料钻削加工中最具挑战性的两大难题【9l。随着刀具制造技术的快速发展，优化的刀具结构设计、先进刀具材料和涂层技术成为解决针对上述问题的重要支撑。针对刀具快速磨损的问题，复材加工刀具需选择耐磨性好的刀具材料和涂层来防止刀具快速磨损，延长刀具寿命。针对复材钻削分层，可以通过优化刀具结构设计和优化加工工艺来控制分层缺陷。因此，先进刀具材料和涂层技术、优化的刀具结构设计和加工工艺成为解决复合材料高效高质量制孔加工的核心技术。本课题组长期致力于复合材料专用刀具设计，先进刀具材料和涂层在复材制孔中的应用研

5、究。本文综述了纤维增强复合材料制孔过程中，不同刀具材料和涂层对复材制孔刀具寿命的影响，分析了不同刀具结构在复材制孔中的切削性能和制孔质量，为纤维增强复合材料专用制孔刀具的设计和制造研究提供了发展方向。制孔刀具材料和涂层1制孔刀具材料由于纤维增强复合材料是典型的难加工材料，因此复材加工刀具材料必须具有良好的抗磨损性能。大量试验研究表明，钻削纤维增强复合材料时，刀具后刀面磨粒磨损是刀具最主要的磨损形式[6-7．10-11]。刀具磨损后，在制孔过程中钻削轴向力增大，钻削温度快速上升，导致复材分层，纤维抽出等制孔缺陷的出现【l21，影响加工质量。因此，目前用于复材制孔的刀具材料以硬质合金、聚晶

6、金刚石(Polycrystallinediamond，PCD)为主。硬质合金制孔刀具可以通过刃磨形成各种几何结构，有利于控制切削力分布，减小轴向力，加大钻削扭矩，防止分层并快速切断纤维，但是硬质合金刀具的抗磨损性能在复材制孔的过程中仍然不足，刃口磨损钝化将造成制孔质量下降，因此如何保持硬质合金刃口的锋利度成为制约其应用的主要因素。如图1所示PCD刀具，通过与硬质合金整体烧结后，再进行刃磨，可获得非常锋利的刃口，同时具有非常低的表面摩擦系数以及超高的硬度和强度，在制孔过程中可以很好地切断纤维，获得良好的制孔质量，而刀具寿命取决于工艺参数和加工过程，这是因为PCD刀具抗冲击性能较差，容易产

7、生崩刃。另外，PCD刀具价格远高于硬质合金刀具，其使用成本和性价比也需要进一步评估。因此，硬质合金材料目前依然是应用最为广泛的制孔刀具材料。2刀具涂层的选择及其对制孔过程的影响为了改善硬质合金刀具的耐磨性，可以在刀具表面添加涂层。随着涂层技术的发展，目前80％以上的刀具均为涂层刀具，不同涂层材料和结构在加工过程中所发挥的作用不整体硬质合金钻尖烧结PCD硬质合金图1整体硬质合金钻头和整体烧结PCD钻头同。化学气相沉积(ChemicalVaporD