TiSiC涂层钻头钻削CFRP/TC4钛合金叠层材料的研究
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为解决碳纤维复合材料/钛合金叠层材料制孔刀具使用寿命短的问题,本文提出采用TiSiC涂层来提高刀具耐用度,并研究了TiSiC涂层钻头钻削碳纤维复合材料/钛合金叠层材料时的轴向力、刀具磨损和孔出口质量。结果表明,TiSiC涂层刀具能减小钻削钛合金的轴向力,延长刀具寿命和改善孔出口质量,且制孔一致性良好,有利于提高钻孔质量和刀具寿命。
由碳纤维增强复合材料(CFRP)和钛合金组成的叠层材料在航空航天领域得到广泛使用,由于碳纤维复合材料硬度高、磨蚀性强,导致加工时刀具磨损严重,且较低的层间强度使钻削出口处容易产生分层、撕裂等缺陷。钛合金则属于典型的难加工材料,导热系数小,化学活性强,容易与刀具发生咬合,使刀具磨损及破损严重。同时,钻削后材料容易出现回弹现象,出口处易产生毛刺,难以保证加工精度。因此,由碳纤维复合材料与钛合金组成的叠层材料更易加剧刀具磨损,使刀具耐用度降低,且加工质量较差。
针对这一加工难题,国内外学者在采用不同的刀具材料、选取合适的工艺参数以改善CFRP/Ti叠层材料加工性能上取得了一定的进展,如波音公司曾针对CFRP/钛合金叠层结构专门研制了组合钻头,但其价格昂贵且技术保密。
TiSiC刀具涂层具有硬度高、摩擦系数低等优点,可以降低切削力,提高材料去除率。本文提出采用TiSiC涂层来提高钻头在加工CFRP/Ti叠层材料时的刀具耐用度,并通过TiSiC涂层与未涂层麻花钻的钻削对比试验,探讨了TiSiC涂层在叠层材料制孔加工中的切削性能。
表1 钻削试验的钻头参数
钻头编号顶角螺旋角材料直径涂层
#1118°35°YG6X5mmTiSiC
#2

1 钻削试验

在Z5125立式钻床上进行钻削对比试验,主轴转速800r/min,进给量0.056mm/r,干式切削。试验材料为碳纤维复合材料/钛合金板材,复合材料的碳纤维原丝为T700,钛合金型号为Ti6Al4V,厚度5mm,复合材料在上层,钛合金在下层。试验刀具选用以YG6X为基体的TiSiC涂层麻花钻和未涂层麻花钻,刀具参数见表1。
钻削试验时,采用Kistler测力平台测量钻削轴向力。碳纤维复合材料/钛合金叠层板材通过夹具固定于Interface拉扭式测力传感器上,传感器将测得的力信号传送到放大器及数据采集卡中,并在计算机上显示轴向力的大小。在钻削过程中,由于垂直于板材的Z向切削力是影响孔加工质量的主要因素,因此试验中只采集Z轴切削力,并取稳定切削时的平均值。在SZ6000体视显微镜上测量刀具的后刀面磨损,在海克斯康TESA MICRO 3D三坐标测量机上测量加工孔径,在徕卡DVM5000 HD三维视频显微镜上检测钛合金出口处的毛刺以及复合材料出口处形貌。

2 试验结果与分析

2.1 轴向力

图1a是TiSiC涂层钻头与未涂层钻头钻削叠层材料时轴向力的大小随时间的变化曲线。由于碳纤维复合材料在上,钛合金在下,所以每条曲线中第一段波峰为复合材料轴向力,第二段波峰为钛合金轴向力。两种钻头切削碳纤维复合材料的轴向力均远小于钛合金的轴向力。从图1b可以看出,无论是钻削钛合金还是碳纤维,TiSiC涂层钻头的轴向力都小于未涂层硬质合金麻花钻。钻削钛合金时,涂层钻头的轴向力从第1个孔的633N增大到第50个孔的753N,而未涂层钻头的轴向力从第1个孔的685N增大到第50个孔的1054N。这表明在钻削钛合金时,涂层钻头的轴向切削力明显减小,这是因为涂层刀具较低的摩擦系数可有效减小切削过程中去除材料所产生的阻力。
(a)轴向力随加工时间的变化曲线
(b)轴向力随钻孔数量的变化曲线

图1 钻削叠层材料时的轴向力变化曲线(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图2 涂层钻头后刀面磨损量随制孔数量的变化曲线(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

2.2 刀具磨损

碳纤维复合材料与钛合金均属难加工材料,且均会对刀具造成严重磨损,但钻头在钻削复合材料与钛合金时分别经历了不同的磨损过程。碳纤维复合材料是以碳纤维为增强体,有机合成树脂为基体的一类复合材料,其中碳纤维为硬脆材料,而树脂在受热后会软化,钻头在钻削过程中会分别受到碳纤维与树脂造成的磨粒磨损和粘结磨损。而钛合金的化学活性强,导热系数小,易与刀具发生粘结,所以钻头的磨损形式除磨粒磨损外还有粘结磨损。
图2是TiSiC涂层钻头第一主切削刃后刀面磨损量随钻孔数量的变化曲线。涂层钻头在整个试验过程中磨损速率较为平均,但在钻削45个孔后,主切削刃外缘出现破裂(见图3a);在钻削50个孔后,后刀面磨损量超过0.1mm。未涂层钻头在钻削2个孔后主切削刃外缘即破裂(见图3b),这是钛合金与碳纤维复合材料综合作用的结果。这也导致未涂层钻头的轴向钻削力在试验前期显著增大,而涂层钻头在整个试验过程中轴向曲线力的增大比较平缓。
(a)涂层钻头外缘破裂
(b)未涂层钻头外缘破裂

图3 钻头破裂情况(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图4 不同钻头钻削钛合金孔出口处的毛刺高度(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

2.3 钛合金孔出口毛刺分析

在切削金属材料时,由于工件底部材料支撑强度不够,在切削力作用下不断发生滑移、错位,围绕某一点旋转而留在工件中形成毛刺。毛刺的存在会大大降低工件表面完整性及加工效率,通过显微镜逐层扫描,分别测量涂层和未涂层钻头钻削加工的钛合金孔出口处的毛刺高度,测量结果见图4。
从图4可以看出,TiSiC涂层钻头钻削的钛合金孔出口处毛刺高度远低于未涂层钻头加工的出口毛刺高度。当未涂层钻头的主切削刃外缘出现严重破裂时,刀具锋利性大大下降,无法有效切除孔出口处的钛合金,因此从加工第二个孔后就出现了严重的毛刺现象。而涂层钻头的切削刃锋利性好,且涂层在一定程度上保护了刀具基体,因此在抑制出口毛刺方面表现良好。图5为两种钻头加工第10个及最后一个钛合金孔的出口毛刺情况。可以看出,未涂层钻头在加工最后一个孔的出口处出现了帽状毛刺。
(a)涂层钻头钻削的第10个孔
(b)涂层钻头钻削的第50个孔

(c)未涂层钻头钻削的第10个孔
(d)未涂层钻头钻削的第50个孔

图5 两种钻头钻削钛合金孔的出口毛刺形貌(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

2.4 复合材料孔出口处质量

图6分别是两种刀具钻削第1个孔与第50个孔的复合材料出口形貌。涂层麻花钻钻削的第1个孔无撕裂与毛刺发生,第50个孔撕裂现象严重而毛刺较少。未涂层麻花钻钻削的第1个孔出口质量良好,而第50个孔撕裂与毛刺现象均较严重,此时的制孔质量已经很差。这说明涂层刀具能在一定程度上改善碳纤维复合材料的出口质量。
(a)涂层钻头钻削的第1个孔
(b)涂层钻头钻削的第50个孔

(c)未涂层钻头钻削的第1个孔
(d)未涂层钻头钻削的第50个孔

图6 两种钻头钻削复合材料孔的出口处形貌
(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图7 钻削叠层材料的孔径一致性(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

2.5 孔径一致性

孔径一致性对叠层材料一体化制孔的精度与效率有着重要影响,孔径差绝对值(即钛合金孔径与碳纤维复合材料孔径之差的绝对值)可以反映加工孔的一致性。由于两种材料性质不同,在叠层制孔中,其实际孔径必然存在差异。图7为两种钻头加工后两种材料的孔径差绝对值。由图7可知,在选取的11个孔中,涂层钻头钻削的孔径差值在0.1mm以内,其中有8个孔径差值小于0.05mm;未涂层钻头钻削的孔径差值只有一个小于0.1mm,其余则主要分布在0.2-0.5mm内,显然,涂层钻头的钻孔一致性要优于无涂层钻头。因此,涂层钻头在保证叠层制孔孔径误差一致性方面有较为明显的优势。

小结

  1. 在CFRP/Ti叠层材料制孔中,TiSiC涂层钻头具有较低的摩擦系数及良好的锋利性,能显著减小钻削钛合金时的轴向力,也能部分减小钻削复合材料的轴向力;未涂层的硬质合金麻花钻在钻削叠层材料时磨损严重,外缘很快破裂。TiSiC涂层除能增加刀具锋利性外,还能保护刀具基体和延长刀具使用寿命。
  2. 在CFRP/Ti叠层材料制孔的出口质量方面,TiSiC涂层钻头能有效切除钛合金孔出口处材料,避免出现严重的毛刺现象,从而提高钛合金孔的加工质量,且在改善复合材料孔出口质量方面表现良好。
  3. 与无涂层钻头相比,TiSiC涂层钻头的制孔一致性更好。
本文作者:南京航空航天大学 杨旭 卢文壮 杨斌 杨凯 张吴晖
原载:《工具技术》
上载于:2017-9-14 16:41:53

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