整體式PCD鉆頭：促進(jìn)CFRP孔加工領(lǐng)域發(fā)展 

         —沃爾德刀具技術(shù)工程師：李培帥         

       1、 背景

       碳纖維復(fù)合材料（carbon fiber reinforced poly-mers，簡(jiǎn)稱(chēng)：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)，在最新的民用動(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(zhǎng)的刀具壽命及更好的加工質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外研究者們通過(guò)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，領(lǐng)先的刀具制造商正在開(kāi)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(kāi)發(fā)過(guò)程

       ① 選材；

       為解決普通鑲片式鉆頭無(wú)法制作大螺旋角的問(wèn)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(lái)說(shuō)，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(wú)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)切削刃通過(guò)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)具備卓越的自定中心性能，這一點(diǎn)是絕對(duì)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(wèn)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(cè)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(guò)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(cè)其刃口質(zhì)量，在確保刃口光潔度優(yōu)良且無(wú)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(cè)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(zhǎng)、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。