碳纖維復(fù)合材料(CFRP)具有高強(qiáng)度、高剛性、良好的抗疲勞性和抗腐蝕性等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工等高端裝備制造領(lǐng)域。飛機(jī)機(jī)翼、垂尾和尾錐等、火箭的排氣椎體、發(fā)動機(jī)和助推器殼體等、人造衛(wèi)星的承力結(jié)構(gòu)、太陽能電池基板、復(fù)雜曲面天線和連接架等，宇宙飛船的翼面板和支撐構(gòu)件等均采用碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料在軍用飛機(jī)上的使用量可達(dá)到50%，在民用大型客機(jī)上使用量可達(dá)到50%。復(fù)合材料用量已成為衡量航空航天產(chǎn)品先進(jìn)性的標(biāo)志之一。
       民用飛機(jī)翼梁、桁條和蒙皮等結(jié)構(gòu)件通常由各種不同成分的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成。碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件裝配時通常需要與作為承載支撐件(骨架或支架)的鈦合金和鋁合金零件局部連接，形成復(fù)合材料/合金(C/A，Composites/Alloy)疊層構(gòu)件，C/A疊層構(gòu)件主要采用鉚接和螺接的機(jī)械連接形式，裝配時需要加工大量連接孔。F-22戰(zhàn)斗機(jī)每副機(jī)翼上都有14000多個連接孔需要加工，一架波音747飛機(jī)則有300多萬個連接孔需要加工。CFRP和C/A疊層制孔成為飛機(jī)制造中極為重要的加工工序。
圖1 碳纖維復(fù)合材料制孔缺陷
       連接孔的加工精度和質(zhì)量是保證構(gòu)件連接可靠性和壽命的關(guān)鍵。飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制孔數(shù)量多、難度大、要求高、工作繁重，裝配制孔的精度和質(zhì)量要求更高，對制孔技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，亟需專用高性能制孔刀具和高效精密制孔工藝。
CFRP制孔的主要問題
       飛機(jī)結(jié)構(gòu)件碳纖維復(fù)合材料制孔存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
       制孔精度和質(zhì)量差，加工缺陷嚴(yán)重。如果采用傳統(tǒng)麻花鉆進(jìn)行CFRP和C/A疊層制孔，鉆孔精度和表面質(zhì)量差。特別是鉆孔時軸向切削力大，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)生纖維排列畸變、撕裂、層間分層和出口毛刺等缺陷，如圖1所示。鋁合金、鈦合金等由于屬于薄板制孔，也容易形成嚴(yán)重的出口毛刺。
       制孔工藝流程長。由于缺乏合適的專用高性能刀具進(jìn)行CFRP和C/A疊層制孔，為了保證C/A 疊層結(jié)構(gòu)的制孔精度和質(zhì)量，生產(chǎn)現(xiàn)場不得不采取“鉆孔-擴(kuò)孔-粗鉸孔-精鉸孔-锪窩”多工序加工策略，造成工序和刀具多，成本高、工藝流程長、管理復(fù)雜，難以實現(xiàn)自動化。這是由于采用手持工具完成多工序加工時，制孔效率極低，制孔精度和質(zhì)量的穩(wěn)定性難以保證。
刀具磨損嚴(yán)重。由于碳纖維復(fù)合材料的硬度高和強(qiáng)度高等特點，導(dǎo)致刀具快速磨損，不僅影響加工精度和表面質(zhì)量，而且使生產(chǎn)成本居高不下。
       工藝參數(shù)匹配困難。C/A疊層制孔時，由于碳纖維復(fù)合材料與合金材料性質(zhì)和可加工性差異很大，鉆削工藝參數(shù)的匹配和控制不當(dāng)會導(dǎo)致嚴(yán)重的界面缺陷和出、入口缺陷。
       制孔過程排屑不暢，熱影響嚴(yán)重。C/A 疊層結(jié)構(gòu)制孔時，特別是CFRP/Ti合金疊層制孔時，鉆削合金會產(chǎn)生連續(xù)的高溫切屑，不僅不易排屑，而且高溫切屑排出時容易劃傷或燙傷復(fù)合材料內(nèi)孔表面，影響制孔質(zhì)量。
       綜上所述，CFRP和C/A 疊層構(gòu)件制孔與傳統(tǒng)金屬制孔具有巨大的區(qū)別，專用高性能制孔刀具和高效精密制孔工藝已成為航空航天領(lǐng)域復(fù)合材料構(gòu)件裝配中的關(guān)鍵技術(shù)。
碳纖維復(fù)合材料制孔加工刀具性能要求
       碳纖維復(fù)合材料制孔中應(yīng)用的刀具結(jié)構(gòu)類型較為復(fù)雜，主要包括麻花鉆(Twist drill)、匕首鉆(One shot drill reamer)、多面鉆(Multi-facet drill)、三尖鉆(Kevlar drill)、套料鉆(Core drill)等。通過鉆尖形貌和刀具角度的優(yōu)化使得在鉆削碳纖維復(fù)合材料時碳纖維的切斷更輕快、順利，從而獲得更小的軸向力、更低的鉆削溫度、更高質(zhì)量的孔是刀具匹配性能研究的主要目標(biāo)。
       在碳纖維復(fù)合材料加工中，大負(fù)前角的橫刃易引起過大的軸向力并可能造成分層。因此，通常采用X型或S型橫刃修磨方式來改變橫刃。匕首鉆嚴(yán)格來講是一種鉆、鉸復(fù)合刀具，由于有周向側(cè)刃作為主切削刃直接參與鉆孔，更易形成無毛刺、表面高質(zhì)量的孔。匕首鉆在抑制毛刺生長方面的作用，在許多研究人員的試驗研究中得到了證實。多面鉆在碳纖維復(fù)合材料鉆削的應(yīng)用，源于美國洛克希德公司通過成功采用八面鉆，提高了制孔質(zhì)量和刀具耐用度。三尖鉆是在鉆頭外緣轉(zhuǎn)點處設(shè)計兩個凸出的尖刃口，專門用于纖維的割斷，防止出現(xiàn)毛刺以及孔口的撕裂。雖然三尖鉆可以有效地控制孔口的毛刺，但其主切削刃的強(qiáng)度也受到削弱。表1是目前碳纖維復(fù)合材料鉆削研究中主要應(yīng)用的刀具類型。

       碳纖維復(fù)合材料的加工過程中，刀具材料普遍采用PCD或金剛石涂層硬質(zhì)合金。目前，金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具已成為解決碳纖維復(fù)合材料專用刀具磨損及刀具壽命短的關(guān)鍵技術(shù)。
碳纖維復(fù)合材料制孔刀具試驗研究
       本次試驗所用材料為多向鋪層碳纖維復(fù)合材料層合板，每層均為單向單層，層合板鋪層共有32個鋪層。板材尺寸規(guī)格為300mm×200mm×6mm，如圖2所示。試驗刀具在結(jié)構(gòu)形式方面涉及金剛石涂層硬質(zhì)合金多面鉆、硬質(zhì)合金匕首鉆，如圖3所示，刀具直徑6.35mm。試驗在DMG DMU70V數(shù)控加工中心上進(jìn)行，采用KISTLER 9129AA壓電式測力儀、KISTLER5070電荷放大器組成的測量系統(tǒng)測量切削力和扭矩，采用KEYENCE VHX-600超景深顯微鏡檢測刀具磨損和觀測制孔形貌和毛刺情況。

圖2 試驗用多向鋪層碳纖維復(fù)合材料層合板

圖3 試驗刀具金剛石涂層硬質(zhì)合金多面鉆
(上圖：與硬質(zhì)合金匕首鉆；下圖：試驗結(jié)果分析)

(1)金剛石涂層硬質(zhì)合金多面鉆
       表2所示為金剛石涂層硬質(zhì)合金多面鉆的制孔試驗結(jié)果。高轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給可以獲得較小的鉆削軸向力，有利于避免碳纖維復(fù)合材料加工分層和毛刺產(chǎn)生。因此，采用表中加工參數(shù)，轉(zhuǎn)速10000rpm、進(jìn)給速度40mm/min，或者轉(zhuǎn)速8000rpm、進(jìn)給速度80mm/min，可以獲得較小的軸向力。

       在上述參數(shù)下，制孔形貌如表3所示。兩種參數(shù)均獲得了良好的孔出口質(zhì)量和入口質(zhì)量，考慮制孔效率，優(yōu)先選用轉(zhuǎn)速8000rpm、進(jìn)給速度80mm/min作為金剛石涂層硬質(zhì)合金多面鉆加工參數(shù)。

(2)硬質(zhì)合金匕首鉆
       表4所示為硬質(zhì)合金匕首鉆的制孔試驗結(jié)果。匕首鉆適用于低速小進(jìn)給加工，高轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生較高的加工溫度引起碳纖維復(fù)合材料燒傷。結(jié)合表5中的制孔形貌，采用表中加工參數(shù)，轉(zhuǎn)速4000rpm、進(jìn)給速度16mm/min，作為優(yōu)化加工參數(shù)。