在碳纤维复合材料和钛合金叠层结构的制孔过程中，碳纤维复合材料的入口、出口处容易产生毛刺、纤维撕裂和分层等质量缺陷，在钛合金出口处存在毛刺、钻头寿命降低等缺陷。这些材料在加工时产生的缺陷对飞行器的结构强度、飞行稳定性和飞行器加工制孔的效率有着较深影响。
研究表明，钻头几何结构、装夹方式和制孔切削工艺等是影响切削力和制孔效率的主要因素。针对这些问题，张厚江等对碳纤维复合材料钻孔出口缺陷进行了研究；DeviKalla等对碳纤维复合材料的切削力进行了研究；张选龙对碳纤维复合材料/钛合金叠层装配制孔技术进行了研究；金晓波等进行了对碳纤维复合材料/钛合金叠层板钻孔有限元仿真研究。目前，对于碳纤维复合材料和钛合金叠层结构的制孔研究有两点不足：两种材料叠层结构制孔的出入口质量研究较少；钻头横刃结构对制孔效率的影响规律的研究较少。本文采用制孔试验的方法，通过对试验数据和钻头横刃结构对制孔效率的影响规律分析，得到一种优化的横刃结构。
1试验方案设计
(1)切削试验方案
试验目的是为了比较横刃结构优化后钻头与普通“X”形钛合金钻削用钻头的切削性能。切削试验过程中主要测量两种钻头的轴向切削力和钻削加工扭矩；观测两种钻头钻削加工过程中刀具磨损和破损情况以及加工质量。
(2)切削试验的条件及设备
切削试验的工件尺寸及位置分布如图1所示，其中上层为碳纤维复合材料T，为USN中模量碳纤维预浸料，树脂为，碳纤维含量为图1工件尺寸及位置分布66%-67%，采用真空袋压、中温固化成型工艺，下层为TC21钛合金。
图1工件尺寸及位置分布
切削试验的横刃结构切削材料条件见表1，刀具参数见表2。制孔过程中，主轴转速设为rpm，进给速度50mm/min。
表1切削材料
表2刀具参数
在刀具钻孔时，将YDX-Ⅲ型压电式扭矩测力仪安装到铣削加工中心的工作台上，对钻孔过程中的切削力等数据进行测量，然后通过SINOCERAYE型两通道电荷放大器及相应的数据采集系统进行数据采集，最后在计算机上对测得数据进行选择。
2试验分析
(1)轴向切削力及扭矩分析
优化后的钻头横刃结构见图2。两种不同横刃结构的钻头轴向切削力比较数据需选取钻削5个孔后磨损稳定阶段的某一孔的数据。
图2
①轴向切削力分析
普通“X”形钻头钻削碳纤维复合材料与钛合金夹层结构的轴向切削力如图3所示。复合材料部位的最大轴向切削力约为N，钛合金部位的最大轴向切削力约为N。采用优化横刃结构后的钻头钻削碳纤维复合材料与钛合金夹层结构的轴向切削力如图4所示，复合材料部位的最大轴向切削力约为N，钛合金部位的最大轴向切削力约为N。
分析图3和图4可知，不论是碳纤维复合材料部位还是钛合金部位，优化横刃结构后的钻头轴向切削力明显小于普通“X”形钻头。
图3普通“X”形钻头钻削轴向切削力
图4横刃结构优化后的钻头钻削轴向切削力
②矩数据分析
普通“X”形钻头钻削碳纤维复合材料与钛合金夹层结构的扭矩如图5所示，复合材料部位的最大扭矩约为0.5Nmm，钛合金部位的最大扭矩约为2Nmm。
图5普通“X”形钻头的钻削扭矩
横刃结构优化后的钻头钻削碳纤维复合材料与钛合金夹层结构的扭矩如图6所示，复合材料部位的最大扭矩约为0.3Nmm，钛合金部位的最大扭矩约为1.2Nmm。
图6横刃结构优化后的钻头钻削扭矩
分析图5和图6可知，不论是碳纤维复合材料部位还是钛合金部位，横刃结构优化后的钻头扭矩都明显小于普通“X”形钻头。
(2)钻头磨损、破损情况分析
如图7所示，普通“X”形钻头磨损首先发生在平直横刃以及横刃与主切削刃连接部位。横刃结构优化后，钻头磨损比较均匀地分布在横刃及主切削刃上。
(a)普通“X”形钻头
(b)横刃结构优化后的钻头
图7钻头磨损情况
(3)加工质量分析
在钻头使用寿命极限范围内，碳纤维复合材料入口加工质量差别不大。出口加工质量如图8所示，在初期磨损和正常磨损阶段，出口加工质量差别不大，钻削50孔以后出现撕裂和毛刺现象。
图8碳纤维复合材料出口处加工质量
在钻头使用寿命极限范围内，钛合金入口加工质量差别不大。出口加工质量如图9所示，在初期磨损和正常磨损阶段，出口加工质量差别不大，随机出现帽形毛刺；钻削50孔后出现翻边现象。
图9钛合金出口处加工质量
在钻头磨损稳定阶段，两种钻头钻削碳纤维复合材料时入口质量没有明显差别。
由于普通“X”形钻头轴向切削力较大，碳纤维复合材料板与钛合金板发生分离，出现缝隙。部分钛合金切屑以较高速度进入复合材料与钛合金结合处，切屑可能刮伤、甚至切入碳纤维复合材料出口部位，造成出口质量下降。如图10所示，上面一排孔为优化后的钻头钻削效果。下面一排孔为普通“X”形钻头钻削效果。可见，下面一排最后一个孔的边缘被钛合金切屑刮伤，钛合金切屑切入碳纤维复合材料。
图10两种钻头碳纤维复合材料出口加工质量比较
在钻头磨损稳定阶段，两种钻头钻削钛合金材料时的入口、出口质量没有明显差别。
使用横刃结构优化后钻头手持方式制孔时，刀具径向摆动较小，操作容易，孔径尺寸公差和孔径圆度公差得到较好保证。复合材料出口加工质量影响较大，而且钻头寿命极限对应的刀面磨损值较小。
图11为50倍光学显微镜获取钻头主切削刃的后刀面磨损照片。钻削50个孔后，使用OLYMPUSGX51F型光学显微镜设备自带测量软件。测量钻头主切削刃后刀面磨损值为0.mm。
图11钻头主切削刃的后刀面磨损值
(4)钻头使用寿命分析
由测量结果可知，对于T碳纤维复合材料与TC21钛合金夹层结构钻头的主切削刃后刀面磨损需综合考虑轴向切削力、加工质量、后刀面磨损值等因素。碳纤维复合材料与钛合金夹层结构制孔时，在主轴转速rpm、进给速度50mm/min的加工条件下，钻头使用寿命为钻削50个孔左右，后刀面磨损值0.mm，横刃结构优化后的钻头制孔性能优于普通“X”形钻头。
小结
对钻头横刃结构进行优化，改进后的钻头结构具有以下优点：头顶部为尖点，钻削时定心效果好，便于手持方式加工；刃部分前角为正值，切削刃锋利，轴向切削力和扭矩减小；附加额外的容屑槽可使排屑效果更好；在切削刃与横刃连接部位增加圆弧连接，避免应力集中，减小了该位置的磨损和破损；横刃结构优化后钻头的制孔性能优于普通“X”形钻头。
原载《工具技术》作者：张云凯
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