金属切削原理与刀具 大作业.pdf

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1、金属切削原理与刀具设计报告 2019 2020学年第 1学期专业班级学号姓名指导教师机械工程机械工程171班严旭徐正亚机械工程学院 Z07117125碳纤维复合材料制孔相关问题研究碳纤维复合材料制孔相关问题研究摘要：摘要：碳纤维复合材料具有高的比强度、比模量、耐化学腐蚀性能，广泛的应用于航空航天等各领域，碳纤维复合材料在制孔过程中容易出现各种加工缺陷，影响制孔质量。本文主要简要简述了碳纤维复合材料，钻孔刀具的发展现状及趋势，介绍分析了碳纤维复合材料制孔的要求、制孔刀具的结构特点及刀具磨损特征及原因。关键词：关键词：碳纤维复合材料 制孔刀具 刀具磨损一、碳纤维复合材料介绍一、碳纤维复合材料介绍碳

2、纤维复合材料（CFRP）作为一种先进的复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车、战略性武器（导弹等）等领域已有广泛的应用。例如火箭发动机尾喷管、喉衬，航天飞机的机翼前缘、刹车盘等均可采用碳纤维复合材料。碳纤维复合材料根据碳纤维的力学性能可分为高模量，超高模量，高强度和超高强度 4 种，常用的有碳纤维增强复合材料(CFRP)、碳纤维增强陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料、碳纤维增强金属基复合材料、碳纤维增强树脂复合材料等。碳纤维是一种高强度、高模量材料，理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维，实际用作碳纤维原料的有机纤维主要

3、有三种：粘胶纤维、沥青纤维、聚丙烯腈纤维。当前固体火箭发动机结构件用的碳纤维大多由聚丙烯腈纤维制成“J。碳纤维的开发始于二十世纪六十年代，起初用于耐烧蚀喉衬、扩张段材料，后来逐渐在其它结构件上应用。自八十年代以来，碳纤维发展较大：性能不断提高。七、八十年代主要以 3000MPa 的碳纤维为主，九十年代初普遍使用的 IM7、IM8 纤维强度达到 5300MPa，九十年代末 T1000 纤维强度达到 7000MPa，并已开始工程应用。品种不断增多。以 H 本东丽公司为例，1983 年生产的碳纤维品种只有 4 种，到 1995 年碳纤维品种达 21 种之多。不同种类、不同性能的碳纤维可满足不同需要。

4、二、碳纤维复合材料钻孔加工工艺二、碳纤维复合材料钻孔加工工艺为钻削加工出令人满意的、高质量的孔，碳纤维复合材料（CFRP）钻孔加工工艺规划内容包括：待加工的孔数、孔大小、深度和质量要求，制造设备或机床类型、装夹稳定性，碳纤维复合材料（CFRP）的属性，搜集整理类似材料的加工经验数据以及利用从富有经验的专业刀具供应商处所获得的支持。机床设备与装夹的能力和稳定性也会影响到切削刀具的选择，通常分为自动型、动力型或手持型，体现到具体的设备类别则表现为 CNC 机床、机器人、轻便型自动进给设备或手动风钻。此外，由于工序要求和操作员的工作经验有所不同，需要在刀具选择上做相应的补偿。在大批量、单一品种碳纤维

5、复合材料（CFRP）钻孔加工时，需要选择经过优化的专用钻头才能更有效率。另一方面，如果孔数量较少，再加上碳纤维增强复合材料 CFRP 的种类、零件外形、加工特征以及工件的装卡有很大变化，则应选择通用型钻头种类。三、碳纤维复合材料制孔的要求三、碳纤维复合材料制孔的要求（1）钻削时，从钛合金一侧钻入，可以提高孔径尺寸精度。（2）加鲸蜡醇钻孔润滑剂，可以缓解复材的烧蚀现象。（3）要获得高精度孔，需要对夹层结构进行铰孔。经两次或多次铰孔后，碳纤维复合材料孔径与钛合金孔径的极差可以控制在 0.01mm 内。（4）对大于 8.0mm 夹层结构的孔，可以采用钻孔扩孔方式加工，每次扩孔量可以取 0.5 2.0

6、mm。碳纤维复合材料制孔加工方法碳纤维复合材料制孔加工方法如图 1 所示。碳纤维制孔工艺主要技术要求是，在保证被加工孔精度的前提下尽可能防止被加工孔出现分层或抽丝现象，同时，应尽可能提高制孔加工的效率。碳纤维复合材料（a）钻孔（b）铰孔（c）锪孔图 1 碳纤维复合材料制孔加工方法制孔系列刀具的优化切削试验目的就是将碳纤维复合材料制孔系列刀具专用化，以极大地提高碳纤维复合材料制孔加工的效率和质量。四、制孔刀具的结构特点四、制孔刀具的结构特点（一）碳纤维复合材料机械加工特性（一）碳纤维复合材料机械加工特性碳纤维复合材料与金属材料不同，在切削应力的作用下很少出现塑性变形，属于难加工材料。（1）碳纤维

7、复合材料为层状结构，层与层之间结合强度低，在制孔过程中，钻削轴向力超过层与层之间的结合力时就会引起构件分层等缺陷。（2）碳纤维复合材料属于各向异性材料，在制孔过程中主要是对碳纤维进行切削，因此制孔受纤维铺层方向的影响，在相同的切削条件下单向碳纤维复合材料相比多向碳纤维复合材料具有更大的劈裂值，制孔处应力集中较大，更容易发生劈裂现象。（3）碳纤维复合材料强度高，硬度大（HRC5365），与高速钢的硬度相当，制孔时刀具刃口摩擦强度大，刀具磨损严重。（4）碳纤维复合材料导热系数呈各向异性，垂直于纤维轴向的导热系数远小于平行于纤维轴向的导热系数，整体导热性较差，在制孔过程中刀具与材料产生大量的摩擦热，

8、使加工区域温度上升，加速钻头磨损。碳纤维复合材料制孔的刀具主要有整体硬质合金钻头、硬质合金铰刀、硬质合金和 PCBN/PCD（聚晶立方氮化硼/聚晶金刚石）锪钻以及钻铰锪复合刀具，如图2所示。（a）加工复合材料钻头（b）加工复合材料铰刀（c）加工复合材料锪钻（d）硬质合金钻铰锪复合刀具（e）PCD 钻铰锪复合刀具图 2 碳纤维复合材料制孔刀具碳纤维复合材料制孔系列刀具针对被加工复合材料及其结构的不同都有其对应的最佳结构参数及其切削加工参数，这些最佳参数都是通过系统的优化切削试验后获得的。这些刀具具有复合材料铣削加工性能好、效率高、刀具寿命长、被加工表面粗糙度好等优点。因此，应用该系列刀具避免了复

9、合材料加工易出现分层或抽丝的现象，很好地满足了复合材料优质高效的加工要求。通过对 CFRP 切削机制的研究发现，刀具结构对切屑形貌、切削力及切削热等均有明显影响，合理设计刀具结构不但可以提高工具耐用度，对加工高质量的 CFRP 孔也具有重要意义近年来，针对 CFRP 钻削加工的特点，研究人员对钻头几何参数进行了重新设计和优化，在提高制孔质量的前提下有效提高了刀具耐用度。钻尖角和螺旋升角是麻花钻的重要几何参数，对复合材料层合板的制孔质量有很大影响，因而研究者们对此进行了大量的研究和参数优化。通过钻削试验发现，钻尖角对切屑排出角度、切削力、毛刺及孔壁粗糙度都有较大影响；比较不同钻尖角情况下的钻削性

10、能发现，对于硬度高、韧性差的 CFRP，应适当选取较小的钻尖角。在钻削过程中，横刃的存在不但会使刀具快速磨损，也是造成 CFRP 孔边分层损伤的一个重要因素。研究表明，横刃作用约占轴向钻削力的 40%60%41，通过优化横刃尺寸和结构，可以获得高质量的 CFRP 孔。针对麻花钻在钻削 CFRP层合板中存在的不足，对横刃、钻尖角和螺旋升角进行优化，得到的直槽钻如图 所示，直槽可以快速排出切屑，较小的钻尖角可以降低轴向钻削力、防止出口分层的产生，明显提高 CFRP 孔的加工质量。由于其良好的复合材料钻削加工性能，直槽钻已在飞机制造工业中得到大量应用。五、刀具磨损特征及原因五、刀具磨损特征及原因（一

11、）刀具磨损原因：（一）刀具磨损原因：碳纤维复合材料制孔过程中刀具的磨损主要是磨料磨损和钻削热。碳纤维具有高强度和高硬度的特点，制孔过程中刀具刃口直接与碳纤维发生剧烈摩擦，造成刀具磨损，而加工过程中软化的基体树脂粘结在刀具表面，直接降低刀具切削面的锋利性，使切削力变大，影响加工质量。再者加工过程中产生的粉末状的切屑不能及时排出，挤压填充在切削区域，切屑、已加工表面与刀具形成三体磨粒磨损，加速对刀具磨损的影响。复合材料工件钻孔过程中产生的钻削热一方面来自于纤维断裂和基体剪切所消耗的功，另一方面来自切屑、已加工表面及刀具的前后刀面三者之间的摩擦所消耗的功。与金属材料不同，碳纤维复合材料在钻孔过程中没

12、有出现塑性变形，导热性能差，钻削过程中产生的热量将主要传向刀具和工件，钻削热集中在刀具切削刃附近，造成刀具表层材料烧蚀，刀具的切削性能降低。碳纤维复合材料切削过程中切削力与所采用刀具的材料有关，刀具材料的硬度、锋利性、耐磨能力及热导率决定了刀具与工件及切屑件的摩擦系数。因此，碳纤维复合材料制孔所采用的刀具材料应具有很高的耐磨性和耐热性，在高温下保持良好的钻削性能；再者良好的散热性能迅速将产生的钻削热传递出去，保持制孔区域相对较低的温度，减缓刀具磨损，保持刀刃的锋利性。钻孔加工刀具主要磨损方式是磨料磨损，主要表现为刀道后刀面、前刀面以及横刃的磨损，其中后刀面磨损最为严重，而后刀面的磨损直接导致钻

13、削时刀具与工件的挤压作用增加;最终导致径向力剧增，致使加工缺陷产生进而降低加工质量。刀具磨损机理主要与纤维材料的物理力学性能有关。刀具横刃和刀尖角对钻削轴向力影响巨大，轴向力增大致使分层缺陷产生。当刀具磨损量达到一定程度时，刀刃被磨钝，锋利度下降，刀具的切削性能降低，导致在钻削过程纤维层不易被切断，产生劈裂毛刺现象等诸多缺陷。（二）影响刀具磨损的因素（二）影响刀具磨损的因素：加工工艺参数、刀具几何形状和材料在 CFRP 切削过程中，工艺参数（如切削速度、进给速度、纤维取向等）会显著地影响刀具磨损。一般而言，切削速度增加会加剧侧面磨损。刀具几何形状和材料对加工表面、切屑形成、切削力和刀具磨损有着

14、显著的影响。）当切削速度较低时，刀具的磨损程度较轻，呈现出粘着磨损形式；当切削速度较高时，主要磨损形式为崩刃磨损。随着切削深度的不断增大，刀具的磨损程度有着较大的增大，当切削深度较低时，磨损形式主要以磨粒磨损为主；当切削深度较大时，磨损形式主要以剥落磨损为主。切削深度和进给量与表面粗糙度的关系都呈现出正相关关系，切削速度与表面粗糙度之间的关系较为复杂，随着切削速度的增大，呈现出先增大后减小的趋势。参考文献：参考文献：1.1.赵正兴 刘传瑞 庞中强 张玉庆 陈莹 碳纤维增强复合材料铣削和钻孔技术研究进展 科学与财富2018 年第 19 期2.胡宝刚 杨志翔 杨 哲 复合材料后加工技术的研究现状及

15、发展趋势宇航材料工艺 2000 年 第 5 期3.张晓虎 孟宇 张炜 碳纤维增强复合材料技术发展现状及趋势纤维复合材料 2004,21(1)4.赵稼祥.碳纤维在美国国防军工上的应用J.高科技纤维与应用,2003,(01):6-9.doi:10.3969/j.issn.1007-9815.2003.01.002.5.赵稼祥.碳纤维复合材料在民用航空上的应用J.高科技纤维与应用,2003,(3):1-4,35.doi:10.3969/j.issn.1007-9815.2003.03.001.6.任学佑,马福康;碳/碳复合材料的发展前景J;材料导报;1996 年 02 期7于晓江 曹增强 碳纤维复合材料与钛合金结构制孔工艺研究 2011 年第3 期航空制造技术8.陈燕,葛恩德,傅玉灿,苏宏华,徐九华，等.碳纤维增强树脂基复合材料制孔技术研究现状与展望J.复合材料学报,2015,32(2):301-316.9唐臣升 复合材料高效加工刀具技术 航空制造技术,201310.虢忠仁，杜文泽，王树伦，等芳纶纤维抗弹复合材料研究进展 J 工程塑料应用，2009，37(1):75-7811.李红，王大镇 超声振动铣削碳纤维复合材料刀具磨损分析 长春工业大学学报（）