優(yōu)化的刀具設(shè)計方案具有關(guān)鍵性的作用

       碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有極高的強(qiáng)度重量比，并且在極端條件下具有穩(wěn)定的材料屬性，因此在全球航天航空行業(yè)內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。這種材料可以單獨(dú)使用，也可以與鈦板和鋁板配合使用。舉例而言，波音 787 夢幻客機(jī) 80% 的制造材料為復(fù)合材料，相當(dāng)于其重量的 50%，可以減少1,500 張鋁板和 50,000 個固定件的使用。與波音 767 相比，可以節(jié)省 20% 的燃油消耗。目前，類如膠粘和焊接之類的聯(lián)接技術(shù)還有很多問題；因此，鉚接固定技術(shù)在實際應(yīng)用中依然占有主流地位。因為碳纖維材料和金屬材料的機(jī)械性能有極大的差別，在對緊固孔進(jìn)行有效的鉆孔加工時，需要使用具有高耐磨性和優(yōu)化槽型的切削刀具產(chǎn)品。

       在加工航天航空行業(yè)內(nèi)的零配件時，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。一些領(lǐng)先的刀具制造商正在開發(fā)并生產(chǎn) PCD 釬焊鉆頭產(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，同時具有內(nèi)部螺旋冷卻通道，螺旋式排屑槽可以提高冷卻性能和排屑性能，這些特性對鉆孔加工是非常必要的。位于功能區(qū)的切削刃部分采用 PCD 材料，具有極好的耐磨性，提高加工效率。

       優(yōu)化的刀具設(shè)計具有關(guān)鍵性的作用，在加工先進(jìn)的航天航空復(fù)合材料時可以確保極好的鉆孔質(zhì)量。在刀具尺寸設(shè)計中，很多必要因素對鉆孔質(zhì)量都起著重大的影響作用，例如，為了降低切削力而提高刀尖半徑的銳度，增大前角等。其它因素還包括，為了減小推進(jìn)力，以及避免纖維材料的撕裂現(xiàn)象而減小鉆尖角度，為了改善毛口高度控制性能而優(yōu)化刃口設(shè)計。機(jī)床刀具、主軸及整體刀具的剛性、刀柄、內(nèi)冷或射流冷卻方式，以及鉆孔工件材料在刀具設(shè)計過程中也都是需要考慮的重要因素。在多數(shù)情況下，為了滿足客戶的不同需求，需要為客戶及時提供定制刀具產(chǎn)品。

       刀具開發(fā)過程

       為了開發(fā)一款高性能的 PCD 刀具產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)在考慮綜合因素的情況下進(jìn)行深入的研究。這種開發(fā)過程不僅決定了刀具的性能，還對刀具的加工效率和成本起到了重要的影響作用。

       在生產(chǎn)用于復(fù)合材料加工的合成金剛石鉆頭產(chǎn)品時，有 4 種主要技術(shù)可以應(yīng)用：

       - CVD（化學(xué)氣相淀積）金剛石涂層鉆頭

       整體硬質(zhì)合金鉆在最后一個工藝經(jīng)過 CVD 金剛石涂層處理。這是一種成本效益很好的產(chǎn)品，但刃口銳度受到了涂層厚度的影響。此外，因為硬質(zhì)合金基體部分和金剛石涂層部分的硬度不同，這款產(chǎn)品吸收沖擊能量的性能不佳。防崩刃性能也很有限。

       - PCD 鑲?cè)秀@頭

       圓錐型的 PCD 材料按照特點鉆尖槽型燒結(jié)至較小尺寸的硬質(zhì)合金基體之上。然后，將這些半成品釬焊至整體硬質(zhì)合金鉆體之上。為了處理硬質(zhì)合金和 PCD 聯(lián)接面之間的高應(yīng)力問題，這款 PCD 產(chǎn)品在 PCD 材質(zhì)優(yōu)化方面受到了限制。后燒結(jié)工藝還會導(dǎo)致成本高昂，因為需要去除非功能區(qū)的金剛石材料，還要增加內(nèi)部冷卻孔。

       - PCD 紋絡(luò)鉆頭

       在整體硬質(zhì)合金棒料之上預(yù)先加工的槽內(nèi)填入 PCD 粉末原料，然后經(jīng)過高溫高壓處理形成 PCD 排列結(jié)構(gòu)。在經(jīng)過高溫高壓過
程之后，對棒料進(jìn)行剪切后釬焊至鉆體之上，最后按照規(guī)定槽型進(jìn)行磨削處理。這種 PCD 紋絡(luò)技術(shù)可以制造復(fù)雜槽型，以及具有高正前角外形的刀具產(chǎn)品；與 PCD 鑲?cè)械毒弋a(chǎn)品相比，只需較少的磨削處理。這種刀具受到尺寸限制，因為要對復(fù)雜 3D 槽型進(jìn)行高溫高壓處理。此外，因通常需要使用高鈷成分的材料，因此也降低了 PCD 材料的硬度和耐磨性。

       - PCD 釬焊鉆頭

       最成熟的 PCD 鉆頭加工技術(shù)為 2D 技術(shù)（例如 PCD 扁鉆） 對于較小尺寸刀具，可以使用一種特殊的硬質(zhì)合金和 PCD 夾層材料；對于較大尺寸刀具，可以使用純 PCD 鉆尖材料。這款產(chǎn)品在槽型方面有嚴(yán)重的缺陷，因為很難增加一個用于復(fù)合材料加工的前角。3D 釬焊需要多個所需材質(zhì)的 PCD 刀座，并且微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)按照設(shè)計切割為螺旋形狀。在整體硬質(zhì)合金鉆頭上應(yīng)磨削出一個對應(yīng)的螺旋槽，以安裝 PCD 刀片。與 PCD 鑲?cè)挟a(chǎn)品相比，這款 3D 釬焊產(chǎn)品只在功能區(qū)采用 PCD 材料，大大增加了加工性能。這項 3D 釬焊技術(shù)被用于開發(fā)本文所述的 PCD 測試鉆頭。

       選擇 PCD 材質(zhì)的另一個重要因素是金剛石材料的機(jī)械加工性能。機(jī)械加工性能是通過計算由不同 PCD 原材料制成相同刀具的時間評定的。重點關(guān)注各個制造步驟，包括 PCD 刀盤的腐蝕和 PCD 材料的磨削。了解機(jī)械加工性能測試結(jié)果請參看表一中的測定等級。機(jī)械加工性能越好，等級就越高，制造時間就越短，成本也就越低；這與在開發(fā)一款具有競爭性的刀具產(chǎn)品時，刀具性能的重要性是一樣的。

       PCD 釬焊

       本文中介紹的刀具產(chǎn)品需要將 PCD 螺旋切片釬焊至碳化鎢刀體上，選用的釬焊技術(shù)應(yīng)避免處于亞穩(wěn)態(tài)的多晶金剛石石墨化，還需要將 PCD 與碳化鎢進(jìn)行粘結(jié)處理。這需要采用高效的釬焊技術(shù)。高效的釬焊材料通常包括高熔點聚合物材料，如鈦材料。釬焊溫度因此很高，對金剛石相的穩(wěn)定性有負(fù)面影響。為了避免石墨化，在釬焊過程中應(yīng)避免氧化環(huán)境。最新的技術(shù)包括氬氣環(huán)境中的感應(yīng)釬焊，以及真空釬焊。

       優(yōu)化的刀具槽型

       在對復(fù)合材料/鈦材料層疊板進(jìn)行鉆孔加工時，選擇優(yōu)化的刀具槽型非常困難，因為這兩種材料在切削過程中表現(xiàn)出不同的特性。CFRP 材料的鉆孔加工通常需要大螺旋角和長切削刃，因為碳纖維應(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而實現(xiàn)。此外，CFRP 材料的鉆孔加工還應(yīng)降低軸向力，以避免在退刀時發(fā)生加工材料層裂現(xiàn)象。這些特點可以形成非常鋒利的切削刃槽型，同時也減小楔塊角度。后角可以高達(dá) 20 度，螺旋角約為 30 度。鈦材料的切削原則上也可使用鋒利的切削刃，但與 CFRP 材料的鉆孔加工相比，需要一個更加穩(wěn)定的楔塊角。鈦材料加工中的刀具后角通常在 8-14 度之間的范圍。與鋼材料加工相比，這些后角通常更大（在本文展示產(chǎn)品中約為 12 度），因為后刀面上的熱量應(yīng)當(dāng)盡可能降低，一減少刀側(cè)面磨耗的形成。大后角與典型的 30 度螺旋角結(jié)合應(yīng)用時，會明顯降低切削刃的強(qiáng)度。螺旋角已減小至 15-20 度范圍，從而可對大后角做出平衡。本文展示的這項制造工藝可以根據(jù)所需刀具槽型，選擇不同的螺旋角。這是本文展示工藝的主要優(yōu)勢之一，因為普通的 PCD 刀尖鑲?cè)械毒咴试S使用的最大螺旋角僅為 8 度。

       為了實現(xiàn)孔徑緊密公差，鉆尖應(yīng)當(dāng)具備卓越的自定中心性能，這一點是絕對必要的。從另一個角度而言，鉆尖角度對毛刺的形成也起到重要的影響。我們知道，鉆尖角在低于 90 度或高于 150 度時，可以幫助降低鉆孔出口處的毛刺高度。因此，鉆尖角為 155 度的鉆頭適合鈦材料加工的需求，但定中心性能不好。所以，推薦使用雙鉆尖角設(shè)計方案，其中內(nèi)部鉆尖角為 130 度，外部鉆尖角為 155 度。與普通應(yīng)用的長切削刃鉆頭相比，這款鉆頭產(chǎn)品的整體鉆尖高度較低。因此，第三條和第四條刃帶可以很快接觸材料，有益于形成更緊密的孔徑公差。
       這款展示的鉆頭產(chǎn)品另一個優(yōu)勢在于其具備內(nèi)冷性能。在對純 CFRP 板材進(jìn)行鉆孔時，在壓縮空氣的作用下，內(nèi)冷孔可以促進(jìn) CFRP 切屑經(jīng)鉆頭排屑槽快速排出。在對 CFRP/鈦層疊板材料進(jìn)行加工時，可以通過密封的內(nèi)部冷卻通道進(jìn)行微量潤滑（MQL），在促進(jìn)潤滑的同時還可以降低在鈦材料加工中形成的高熱，因為這種材料的熱傳導(dǎo)率較低。在使用 PCD 刀具進(jìn)行鉆孔加工時，微量潤滑是絕對必要的；否則切削刃部位形成的高熱會導(dǎo)致石墨化，或相應(yīng)形成碳化鈦。這種反應(yīng)會形成排屑槽部位出現(xiàn)化學(xué)磨耗，最終會導(dǎo)致排屑槽內(nèi)的 PCD 材料崩裂。

       實驗性研究

       這款開發(fā)的 PCD 刀具產(chǎn)品經(jīng)過了實驗性測試，目的在于評估在規(guī)定應(yīng)用中最合適的 PCD 材質(zhì)和刀具槽型。測試過程中的刀具設(shè)置和切削參數(shù)如下。

       - 測試刀具

       PCD 釬焊鉆頭，直徑為 11.113 毫米（7/16 英寸），三種不同的 PCD 材質(zhì)（G4、KD1415，和 KD1425），未經(jīng)涂層處理相同槽型的鉆頭。

       - 測試材料

       測試材料包括一塊厚度為 8.7 毫米（0.342 英寸）的購置 CFRP 板材（Isocarbon 3k），并與一塊 厚度為 10.8 毫米（0.425 英寸）的 Ti-6Al-4V 板材牢固地層疊在一起。使用測試刀具進(jìn)行通孔加工，從 CFRP 側(cè)進(jìn)刀，從鈦板側(cè)出刀

       - 機(jī)床刀具及冷卻劑

       一臺 CNC 加工中心（Heckert CWK 400），水平主軸，主軸貫通式微量潤滑方式（Vascomill MMS FA2）。

       - 切削參數(shù)

       切削速度為 20 米/分鐘（65 SFM），進(jìn)給率為 0.05 毫米/轉(zhuǎn)（0.002 ipr），同時適用于 CFRP 和鈦材料加工。不使用啄鉆加工法。

       - 刀具檢測

       為了監(jiān)控刀具磨損過程，在完成 4 個孔的鉆孔加工后，使用顯微鏡對鉆頭進(jìn)行檢測。在完成 24 個孔的鉆孔加工后，在掃描電子顯微鏡下觀察刀具的磨耗結(jié)構(gòu)。

       - 鉆孔測量

       在完成所有加工測試后，對測試材料進(jìn)行清洗和標(biāo)注。對所有鉆孔進(jìn)行檢測。對 4 個孔的內(nèi)部進(jìn)行直徑測量（兩個在 CFRP 板材的進(jìn)口處和出口處附近，兩個在 鈦板材的相同位置）。同時還對鈦板材底部出口孔表面的毛刺高度進(jìn)行測量。

       結(jié)果及分析

       超長、可預(yù)測，以及穩(wěn)定的使用壽命是決定刀具產(chǎn)品是否能夠贏得客戶的主要因素。在對 CFRP/Ti 復(fù)合基體材料進(jìn)行鉆孔加工時，為了獲得滿意的鉆孔質(zhì)量，必須同時滿足幾個要求。鉆孔尺徑為緊公差尺寸，以安裝緊固件，鉆孔出口處的毛刺高度必須符合規(guī)定要求，以減輕或避免去毛刺工序。為了避免因刀具突變失效而導(dǎo)致的鉆孔損壞，并盡力維護(hù)刀具的可修磨性，鉆尖的崩刃現(xiàn)象必須盡可能降低，并對其進(jìn)行監(jiān)控。以下標(biāo)準(zhǔn)被用來作為確定測試刀具是否已達(dá)到使用壽命極限：

       a）鉆孔尺寸公差為 11.113 + 70 微米（H10）；

       b）毛刺尺寸為 0.2 毫米；

       c）出現(xiàn)鉆尖崩刃

       測試表明，PCD 鉆頭在使用壽命即將結(jié)束時的主要失效模式是鉆尖出現(xiàn)崩刃；。

       硬質(zhì)合金鉆的失效模式表現(xiàn)為毛刺高度超限。在這次測試中，所有鉆孔都符合鉆孔質(zhì)量要求。

       鉆孔尺寸

       圖一顯示內(nèi)容為測試 PCD 刀具的鉆孔加工尺寸。在對每個鉆孔檢測時，孔徑的測量位置選擇在 4 個不同的位置；2 個在 CFRP 板材部位，2 個在鈦板材部位；分別對應(yīng)在鉆孔進(jìn)口表面和出口表面。

       可以看出，位于鈦板材部位的鉆孔質(zhì)量非常好，尺寸在規(guī)定公差值的中間范圍，上下浮動范圍很小，為10 微米。鈦板材鉆孔入口處和出口處的尺寸非常接近。但在 CFRP 板材部位，鉆孔入口處和出口處的孔徑差較大。這種現(xiàn)象是因為在排屑過程中，切屑對鉆孔避刮擦造成的結(jié)果。對于減少切屑的刮擦，以及增加鉆孔尺寸的一致性而言，提高切屑控制性能是非常必要的。僅僅依靠刀具設(shè)計而提高切屑控制性能是非常困難的。在加工實踐中，一種成熟的工藝是增加啄鉆操作，或是通過振動支持鉆孔操作，以實現(xiàn)控制切屑長度并減弱切屑刮擦效果。

       測試結(jié)果表明，在此展示的新型鉆尖產(chǎn)品可以加工出 H10 公差等級的鉆孔尺寸。在優(yōu)化加工條件以及加工過程穩(wěn)定的情況下，甚至可以實現(xiàn) H8 公差等級的鉆孔尺寸。不能證明鉆孔質(zhì)量與切削刃材料有必然關(guān)系。相同鉆尖槽型的 PCD 鉆頭和硬質(zhì)合金鉆頭的鉆孔加工質(zhì)量是相似的。

       毛刺

       在探討與毛刺高度控制和磨損結(jié)構(gòu)相關(guān)的鉆孔結(jié)果時，可以清晰地看到不同切削刃材料產(chǎn)生的不同結(jié)果。圖二顯示內(nèi)容為一款硬質(zhì)合金刀具和兩款 PCD（KD1415 和 G4 材質(zhì)）刀具鉆孔加工時毛刺高度的發(fā)展過程與鉆孔數(shù)的對比情況。

       可以看出，硬質(zhì)合金鉆僅完成 14 個鉆孔加工之后，在鈦板材出口處的毛刺高度就明顯增加；而兩款 PCD 刀具在加工過程中，首次出現(xiàn)毛刺超過規(guī)定的鉆孔分別是第 57 個鉆孔和第 117 個鉆孔。

       從理論上講，毛刺高度的發(fā)展過程與刀具鉆尖部位的磨耗緊密相關(guān)。這一點可以在硬質(zhì)合金刀具和 PCD 刀具的對比中顯明，因為這兩種材料的硬度有很大的不同；所以，PCD 刀具鉆尖處的磨耗發(fā)展過程較慢。與硬質(zhì)合金鉆相比，PCD 鉆的鉆尖磨耗要少得多。這三種 PCD 材質(zhì)的磨耗發(fā)展情況區(qū)別很小。PCD 材質(zhì)的主要磨耗類型為切削刃/鉆尖部位的崩刃。

       表格一對這三種 PCD 測試材質(zhì)的刀具壽命做了綜合對比。可以看出，G4 和 KD1415 材質(zhì)在刀具平均壽命方面非常相似。KD1415 在刀具使用壽命的穩(wěn)定性方面表現(xiàn)更好，并且因為機(jī)械加工性能更好，可以減少制造成本。因此在本文所述的加工應(yīng)用中，被選為最適宜的材質(zhì)。

       結(jié)論

       我們開發(fā)了三款采用不同 PCD 材質(zhì)以及優(yōu)化槽型的 PCD 整體硬質(zhì)合金釬焊鉆頭產(chǎn)品，并對這些產(chǎn)品進(jìn)行了測試。測試結(jié)論如下：

       1）在 PCD 刀具制造過程中，3D 釬焊技術(shù)允許刀具采用靈活的螺旋角角度，因此也可以采用大前角設(shè)計方案。與 PCD 鑲?cè)挟a(chǎn)品相比，3D 釬焊產(chǎn)品因為去除了刀具功能區(qū)表面的 PCD 材料，所以具有更好的機(jī)械加工性能；

       2）這款開發(fā)的 PCD 鉆產(chǎn)品采用優(yōu)化的刀具槽型（雙鉆尖角度、螺旋槽、內(nèi)部螺旋冷卻通道、大前角），因此可以加工高質(zhì)量的鉆孔（鉆孔尺徑及毛刺高度控制）。

       3）與未經(jīng)涂層處理的整體硬質(zhì)合金鉆相比，PCD 鉆在使用壽命方面有顯著的改善。

       4）所有測試 PCD 刀具有相同的磨損形態(tài)，從前刀面出現(xiàn)細(xì)微裂縫開始，最終會因鉆尖崩刃導(dǎo)致突變性失效。

       5）在刀具壽命穩(wěn)定性和機(jī)械加工性能方面，KD1415 要比 G4 和 KD1425 材質(zhì)有更佳的表現(xiàn)。所以，KD1415 是最適合本文所述加工應(yīng)用的材質(zhì)。

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