1、背景
碳纖維復(fù)合材料（carbonfiberreinforcedpoly-mers，簡稱：CFRP）具有比強(qiáng)度高、比剛度大、耐腐蝕、疲勞性能好、設(shè)計(jì)自由度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于動(dòng)力機(jī)械制造材料領(lǐng)域。CFRP材料可以單獨(dú)使用，也可以與鈦板和鋁板配合使用。舉例而言，某型號(hào)787制造材料的80%為復(fù)合材料，相當(dāng)于其總重量的50%，可以減少1500張鋁板和50000個(gè)固定件的使用。與型號(hào)767相比，可以節(jié)省20%的燃油消耗。鋁及其合金由于輕質(zhì)、易加工、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點(diǎn)，在*新的民用動(dòng)力機(jī)械制造中仍有大量應(yīng)用。
為保證裝配精度，一般將復(fù)合材料放置在金屬材料上層一起加工裝配孔。CFRP屬于高硬度脆性纖維材料，磨蝕性強(qiáng)，加工時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，且CFRP層間強(qiáng)度較低，在孔的出口處容易形成撕裂及分層等缺陷。鋁合金化學(xué)活性較強(qiáng)、質(zhì)地較軟、粘性強(qiáng)，刀具易產(chǎn)生粘著磨損，進(jìn)一步降低了刀具壽命。為了鉆削CFRP/Al疊層材料時(shí)獲得更長的刀具壽命及更好的加工質(zhì)量，國內(nèi)外研究者們通過使用特殊的刀具結(jié)構(gòu)，采用涂層刀具，優(yōu)化鉆削參數(shù)等方式均得到了較理想的加工效果。
聚晶金剛石(PCD)刀具具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好、摩擦系數(shù)小、與其他材料間親和力小等特性，可以獲得較高的加工精度及加工效率。鉆削CFRP時(shí)PCD鉆頭的加工效率和耐磨性遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金鉆頭。
在加工動(dòng)力機(jī)械領(lǐng)域零配件時(shí)，多晶金剛石（PCD）刀具要比傳統(tǒng)的碳化鎢硬質(zhì)合金刀具有更高的加工效率，*的刀具制造商正在開發(fā)并生產(chǎn)PCD鉆頭產(chǎn)品。這些刀具產(chǎn)品的切削刃采用PCD材料，鉆體部分為整體硬質(zhì)合金材料。硬質(zhì)合金鉆體有很好的剛性和尺寸精度，確保鉆孔的加工質(zhì)量，螺旋式排屑槽可以提高排屑性能，這些特性對(duì)鉆孔加工是非常必要的。切削刃部分采用PCD材料，耐磨性高，可提高加工效率及使用壽命。
2、刀具開發(fā)過程
①選材
為解決普通鑲片式鉆頭無法制作大螺旋角的問題，我們選用前端圓柱或錐形PCD。對(duì)于較小直徑尺寸刀具來說，我們可以選用圖一PCD進(jìn)行插片式設(shè)計(jì)，小直徑也可以做出大螺旋角度；大直徑鉆頭只能選用圖二圓柱PCD或錐形PCD才能保證大螺旋角度的設(shè)計(jì)。
②焊接
針對(duì)不同PCD原材料的選擇，我們選用不同焊接技術(shù)。鑲片式鉆頭無合金襯底選用真空釬焊技術(shù)，高效釬焊材料通常是高熔點(diǎn)聚合物材料，因此釬焊溫度很高，為避免高溫對(duì)金剛石氧化的負(fù)面作用，焊接選擇在真空環(huán)境中進(jìn)行。針對(duì)大直徑圓柱型或錐形PCD材料我們選擇高頻焊接，感應(yīng)高頻焊時(shí)，高頻電流通過工件外部感應(yīng)圈的耦合作用而在工件內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流從而加熱工件及焊片，焊片融化冷卻后將多個(gè)單體零件焊接為一體。
③制作
在對(duì)CFRP復(fù)合材料層疊板進(jìn)行鉆孔加工時(shí)，選擇合適刀具槽型非常困難。CFRP材料的鉆孔加工通常需要大螺旋角和長切削刃，因?yàn)樘祭w維應(yīng)當(dāng)沿著切削刃發(fā)生剪切作用，長切削刃通過小鉆尖角實(shí)現(xiàn)。此外，CFRP材料的鉆孔加工還應(yīng)降低軸向力，以避免在退刀時(shí)發(fā)生加工材料層裂。針對(duì)以上特點(diǎn)PCD鉆頭必須有非常鋒利的切削刃槽型，大的切削前角及大螺旋角，螺旋角約為30°。為了實(shí)現(xiàn)孔徑緊密公差，鉆尖應(yīng)當(dāng)具備*的自定中心性能，這一點(diǎn)是*必要的。從另一個(gè)角度而言，鉆尖角度對(duì)毛刺的形成也起到重要的影響。眾所周知，鉆尖角在低于90°或高于150°時(shí)，可以幫助降低鉆孔出口處的毛刺高度，但自定中心性能不好。所以，推薦使用雙鉆尖角設(shè)計(jì)方案，其中內(nèi)部鉆尖角為130°，外部鉆尖角為80°。PCD鉆頭采用雙支撐設(shè)計(jì)以增加被加工孔尺寸穩(wěn)定性。
PCD材料難以加工，在PCD上做大螺旋角度更提升了難度，針對(duì)以上問題，我們采用電磨復(fù)合一體磨床PCD部分進(jìn)行電解加工，合金部分進(jìn)行磨削加工。這樣我們就可以針對(duì)不同工況對(duì)PCD鉆頭進(jìn)行多種槽型和鉆尖設(shè)計(jì)。
④測量
PCD整體式鉆頭制作完成，其質(zhì)量控制也很關(guān)鍵。鉆頭刃部光潔度直接影響到加工過程中被加工工件的加工質(zhì)量，加工完畢我們首先會(huì)在體式顯微鏡下觀測其刃口質(zhì)量，在確保刃口光潔度優(yōu)良且無崩缺的前提下，將產(chǎn)品放置于卓勒對(duì)刀儀上進(jìn)行尺寸測量，以保證所加工產(chǎn)品尺寸在公差范圍之內(nèi)。
3、沃爾德PCD整體式鉆頭
碳纖維復(fù)合材料正廣泛應(yīng)用于交通工具零部件的制造，孔加工是其重要的一道工序，因此，選擇高強(qiáng)度、高剛性、高耐磨性、高光潔度的刀具是保證鉆孔質(zhì)量的前提。為此，沃爾德推出PCD整體式鉆頭，適用于加工各種碳纖維復(fù)合材料，孔徑規(guī)格從φ2.5～φ8均能實(shí)現(xiàn)，效率高、壽命長、外觀好，為提高碳纖維復(fù)合材料在動(dòng)力機(jī)械制造及其他行業(yè)領(lǐng)域的鉆孔加工提供更優(yōu)的解決方案。
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