华菱超硬金刚石刀具用碳纤维复合材料钻孔

碳纤维增强复合材料具有较高的比强度、比刚性，是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，轻量化效果十分明显，在航空航天、汽车行业、军工产品中得到广泛应用。但是对碳纤维复合材料的切削加工有一定的难度，本文结合华菱超硬多年来研发金刚石刀具的经验，主要讲述如何选择刀具解决碳纤维复合材料钻孔难题。

一、碳纤维复合材料的分类

碳纤维复合材料可从以下两个方面进行分类：

（1）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树脂复合材料(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等。

（2）根据原丝的类型可分为聚丙烯腈基碳纤维(PAN)、纤维素基碳纤维(粘胶基碳纤维)、沥青基碳纤维、酚醛基

二、碳纤维复合材料钻孔存在的问题及难点

为什么说碳纤维复合材料钻孔难呢？这是因为碳纤维复合材料是由质软而粘性大的基体和强度高、硬度大的纤维混合而成的二相或多相结构件比较恶劣其力学性能呈各向异性，且碳纤维的硬度很高（HRC=53-65）。机械加工条件比较恶劣，层间强度低，钻削过程中在切削力的作用下容易产生分层、撕裂等缺陷，钻孔时尤为严重，难以保证加工质量，是典型的难加工材料。据统计，飞机在组装时，钻孔不合格率要占全部复合材料构件报废率的60％以上。碳纤维复合材料钻孔难点有：

（1）刀具磨损严重，耐用度低。钻削区的温度高且集中于刀具切削刃附近很窄的区域内，加之碳纤维复合材料的硬度非常高，故钻孔刀具后刀面产生磨损严重，耐用度低，影响产品的形状、尺寸精度及加工表面质量。另外，钻孔刀具磨损严重和耐用度低也会导致产品加工成本的上升。

（2）碳纤维复合材料产生分层破坏。分层是因碳纤维复合材料的层间结合强度低而产生的一种破坏现象，当钻孔参数不合理时，就会使层间受力过大而导致分层，分层会严重降低材料的性能和零件加工质量，即使是微小的分层也是非常严重的安全隐患，甚至使零件报废，严重影响产品的成品率。

（3）钻孔的尺寸精度和表面粗糙度不易达到要求，容易产生残余应力。这主要是因为碳纤维复合材料呈现各向异性，钻削时切削力大，并产生大量的切削热。钻孔时尤为严重，加工精度和表面质量难以保证。

（4）钻孔效率低。碳纤维复合材料属于典型的难加工材料，材料强度大、硬度高、各向异性，切削力大，切削温度高，导致钻孔刀具磨损加剧，难以提高钻孔效率。

（5）切屑为黑色粉尘，容易污染环境，危害人的健康；另外切屑的导电性易使电器设备和电网短路。

三、华菱超硬针对碳纤维复合材料钻孔难点的解决办法

( 1）改进钻头的材质，提高钻头的耐磨性。如聚晶金刚石（PCD）钻头、金刚石涂层刀具等。实验证明，金刚石钻头要优于其他种类的钻头，金刚石刀具是钻削CFRP碳纤维增强复合材料的最佳选择。或者采用特殊的钻头，如中心钻、麻花钻、钻铰刀等，可实现高速较高精度的钻削加工，大大的提高了钻头的使用寿命。

（2）选择合适的钻型

钻削碳纤维复合材料，尽量选择合适的钻型。减小横刃的长度，增加钻头切削部分的后角，提高切削刃的锋利性。钻削碳纤维复合材料用钻头的钻尖应具有一定的刃倾角，且刃倾角为负值，可以有效防止钻孔加工缺陷的出现。

（3）采用合理的工艺

在钻孔加工精度要求较高的情况下，钻孔后采用铰孔工艺或金刚石磨头磨孔，能有效的降低孔的表面粗糙度和提高孔的圆度。

四、华菱超硬碳纤维复合材料钻孔刀具

华菱超硬研发的碳纤维复合材料钻孔刀具有：金刚石钻头、金刚石钻铰刀、金刚石麻花钻、金刚石阶梯钻及非标金刚石钻头等，采用进口PCD片材为切削刃，具有很好的耐磨性能，以碳化钨硬质合金为基体，硬质合金基体具有很好的刚性和尺寸精度，能够确保钻孔铣削的加工质量，并设计内冷（内部螺旋冷却）通道提高冷却性能，钻头螺旋式排屑槽可提高排屑性能，进而提高加工效率，这对碳纤维复合材料的钻孔加工是非常重要的。

华菱超硬碳纤维复合材料钻孔刀具可进行多刃口设计，并且可根据具体加工情况调整角度及锋利度，在复合材料上进行孔加工时，减少钻头的切削力，可避免材料分层现象，锋利的切削刃部能够保证孔的良好质量；钻铰锪一体刀具，钻孔和锪窝一次完成，省略了用常规钻头和铰刀加工时所需要的退刀、换刀和转位，可以大大提高加工效率。

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