许松岭 刘礼平
摘 要
本文采用7把不同结构的平前刀面麻花钻对碳纤维增强复合材料（CFRP）进行了钻孔试验，在轴向力和出口分层损伤方面进行了分析，以此研究平前刀面麻花钻前角的变化对CFRP加工质量的影响。结果表明：平前刀面麻花钻的轴向力和出口分层因子随着前角的增大而不断减小。
关键词
平前刀面麻花钻;碳纤维增强复合材料;轴向力;分层损伤
中图分类号： V261 文獻标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.031
Abstract
In this paper，seven different structured flat rake face drills were used to drill carbon fiber reinforced composite（CFRP）.The thrust force and exit delamination damage were analyzed，so as to study the influence of the change of the rake angle on the processing quality of CFRP.The results show that the thrust force and delamination factor at the exit decreased with the increase of rake angle.
Key Words
Flat rake face drill;Carbon fiber reinforced composite;Thrust force; Delamination
0 引言
CFRP具有优良的力学性能，在航空航天等领域具有广泛的应用[1]。但其钻削加工时，在切削力的作用下容易产生分层、毛刺、纤维拔出等损伤[2]。
分层损伤是所有加工缺陷中最严重的一种，降低了部件的装配精度[3]。贺虎[4]研究发现轴向力的推挤作用对分层损伤有重要影响。钻削过程中的轴向力严重影响着分层损伤的大小[5]。陈尔涛等[6]对复合材料钻削过程中的轴向力进行了研究，发现大前角有利于切削，可以减小轴向力。
在CFRP的传统钻削加工过程当中，高效的切削刀具对提高CFRP的钻削质量具有重要影响。本文用平前刀面麻花钻研究了前角的变化对CFRP加工质量的影响。
1 试验条件
1.1 实验材料
试验采用CFRP层合板作为工件材料，其尺寸为75mm×65mm×6mm，增强体材料是T800型碳纤维，CFRP层合板共铺设11层，材料的上下两表层是由0°/90°的纤维相互交织而成的，其内部铺层方式是[0/45/0/-45/0/-45/0/45/90]。
1.2 试验刀具
本试验采用7把直径为6mm，顶角为118°，螺旋角为30°的平前刀面麻花钻，其前刀面为平面，每把平前刀面麻花钻的前角为正值，且固定不变，刀具的前角分别为26°，30°，34°，38°，42°，46°，50°。
1.3 试验平台
本试验平台包括数控车床、高速主轴、安装垫板、精密进给平台、测力传感器、动态测试仪、计算机等。变频控制器对高速主轴进行精确控制。轴向力信号的采集通过TST5912E动态测试仪。钻削完成后，采用光学显微镜和电子显微镜对加工孔的表面形貌进行观察。
1.4 分层评定
本文采用传统分层因子的定义方式，即分层损伤区域的最大直径和孔的名义直径（钻头的直径）的比值，则分层因子Fd的表达式为：
Fd=Dmax / D
式中：Dmax为分层损伤区域的最大直径;D为孔的名义直径
1.5 试验方案
本试验在主轴转速为4000r/min，进给速度为150mm/min的条件下，用26°、30°、34°、38°、42°、46°、50°平前刀面麻花钻分别对CFRP层合板进行钻削。每组参数进行两次钻削实验，实验数据结果取两次实验的平均值。
2 结果与讨论
2.1 轴向力分析
在复合材料加工过程当中产生的轴向力对钻孔质量具有重要影响，复合材料层合板的很多缺陷是由于轴向力过大产生的，减小轴向力可以有效避免分层、撕裂的产生[5]。图1是平前刀面麻花钻前角的变化对轴向力影响的图像，主轴转速4000r/min，进给速度150mm/min。从图中可以看出随着刀具前角的增大，轴向力不断减小。这主要是因为平前刀面麻花钻的主切削刃为正前角，可以对材料进行有效的切削，随着刀具前角的增大，切削刃更加锋利，在切削CFRP层合板时，材料的变形减小，故轴向力不断减小[6]。
2.2 出口分层分析
图2是平前刀面麻花钻前角的变化对出口分层因子影响的图像，主轴转速4000r/min，进给速度150mm/min。从图中可以看出随着刀具前角的增大，出口分层因子不断减小。这主要是因为随着刀具前角的增大，切削刃更加锋利，有利于对CFRP层合板的切削，致使轴向力不断减小，故出口分层因子不断减小[6]。
3 结论
本文在主轴转速4000r/min，进给速度150mm/min的条件下，用7把不同钻头对CFRP层合板进行了钻削试验，根据试验结果得出以下结论。
1）平前刀面麻花钻的轴向力随着前角的增大而不断减小，刀具前角的增大，有利于对CFRP层合板的切削。
2）平前刀面麻花钻的出口分层因子随着前角的增大而不断减小，刀具前角的增大，有利于对CFRP层合板的切削。
致谢：
该项目获得中央高校基础科学研究基金（3122019081）资助。
参考文献
[1]陈德雄，林有希，林华.碳纤维复合材料钻削加工分层缺陷研究进展[J].工具技术，2016，50（04）：3-8.
[2]冷小龙，李鹏南，牛秋林，邱新义，许磊.阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力及孔质量[J].宇航材料工艺，2018，48（01）：89-94.
[3]林盛坤，林有希，林华.碳纤维复合材料钻削孔分层影响分析[J].工具技术，2015，49（06）：30-36.
[4]贺虎.碳纤维复合材料钻削力与孔质量研究[D].南京航空航天大学，2011.
[5]蔺小军，崔栋鹏，单晨伟，陈璇.C/C复合材料钻削轴向力研究[J].航空制造技术，2015（15）：60-64.
[6]陈尔涛，王景磊，黄树涛，董坤阳，许立福.刀具前角对SiC_p/Al复合材料切屑形成及切削力的影响研究[J].工具技术，2018，52（08）：90-93.
