钻孔加工（精选5篇）
钻孔加工 篇1
摘要：钳工是一门实用性比较强的操作技能, 而钻孔是钳工最常用的操作技能中最基本、最重要的操作方法之一, 在钻床上钻出精度较高的孔是有很大难度。本文作者根据自身多年钳工经验, 提出了提高钻孔位置精度的几项措施。
关键词：钳工,钻孔精度加工,措施
各种零件的孔加工，除去一部分由车、镗、铣等机床完成外，很大一部分是由钳工利用钻床和钻孔工具(钻头、扩孔钻、铰刀等) 完成的。钳工加工孔的方法一般指钻孔、扩孔和铰孔。工厂里有句俗语：“车工怕车杆，钳工怕打眼。”指的就是钳工钻孔的位置精度难以掌握。钻头钻孔时往往对于钻孔的位置精度掌握不够，位置精度超差比较大。我根据多年钳工工作的经验，现以Φ1OH7孔位置误差≤±0.08mm为例，谈谈提高钻孔精度加工的几项措施。
一、钻头的刃磨
钻头的刃磨的正确度，对钻削质量、生产效率，以及钻头的耐用度都有显著的影响。
1. 标准麻花钻的刃磨要求。
顶角2φ=l18°±2°;外缘处的后角а=10°—14°;横刃斜角ψ=50°—55°;两主切削刃长度，以及和钻头轴心线组成的两个φ角要相等;两个主后面要刃磨光滑。
2. 刃磨检验。
钻头的几何角度及两主切削刃的对称要求，可利用检验样板进行检验，但在刃磨过程中最经常用的是目测的方法，目测检验时，把钻头切削部分向上竖立，两眼平视，由于两主切削刃一前一后会产生视差，往往感到左刃(前刃)高而右刃(后刃)低，因此要旋转180°后反复看几次，如果结果一样，就说明对称了。钻头外缘处的后角要求，可对外缘处靠近刃口部分的后刀面的倾斜情况来进行直接目测。近中心处的后角要求，可通过控制横刃斜角的合理数值来保证。
二、正确划线
钻孔前，首先应熟悉图样要求，加工好工件的基准;一般基准的平面度≤0.04mm，相邻基准的垂直度≤0.04mm。按钻孔的位置尺寸要求，使用高度尺游标尺画出孔位置的十字中心线，要求线条清晰准确;线条越细，精度越高。划完线并检验合格后，还应划出以孔中心线为对称中心的检验方格或检验圆，作为试钻孔时的检查线，以便钻孔时检查和借正钻孔位置，一般可以划出2×2、4×4、6×6、8×8几个大小不一的检验方格或检验圆，小检验方格或检验圆略大于钻头横刃，大的检验方格或检验圆略大于钻头直径。不过我认为检验方格的效果要好于检验圆，主要原因是检验方格可用高度游标尺划出，精度较高;检验圆用划规划出，精度精度相对较差。
三、打样冲眼
画出相应的检验方格或检验圆后应认真打样冲眼。先打一小点，在十字中心线的不同方向仔细观察样冲眼是否打在十字中心线的交叉点上，最后把样冲眼用力打正打圆打大，以便准确落钻定心。这是保证钻孔位置精度的重要环节，样冲眼打正了，就可使钻心的位置正确，钻孔一次成功;打偏了，则钻孔也会偏，所以必须借正补救，经检查孔样冲眼的位置准确无误后方可钻孔。打样冲眼有一个小窍门：将样冲倾斜，样冲尖放在十字中心线上的一侧向另一侧缓慢移动，移动时，感觉到某一点有阻塞的感觉时，停止移动并直立样冲，就会发现这一点就是十字中心线的中心。此时在这一点打出的样冲眼就是十字中心线的中心。多试几次，你就会发现样冲总会在十字中心线的中心处有阻塞的感觉。
四、钻孔
钻孔时，应先用Φ3mm左右的钻头钻出小孔。钻头装夹时，露出钻夹头的部分要少，或者选用短一些的钻头，以提高钻头的刚度和强度。这时，工件不用装夹，可用手拿稳放在钻床工作台上，工件相当于浮动装夹，细长小钻头又有弹性，能自动定心。注意在开始钻入时，进给量要小，防止产生定心不稳和工件在轴向力作用下产生移位，造成定心失败。为了保证钻出的孔符合设计要求，必须对小孔的孔位精度进行检测。
若底孔位置经检测确定正确，应采取有效措施，防止在扩孔过程中孔位产生新的位置偏差。其方法为： (1) 对于平整的工件，尽可能地处于浮动状态，以利于钻头与工件相互位置间的自动调整，保证钻头与工件底孔间的同心度。(2)当工件因尺寸小或者形状不规整，必须处于夹持状态才能保证安全操作的情况下，应用手反向转动钻头，并轻微移动平口钳或转动台钻的工作台，使钻头的两主切削刃同时与原底孔端口孔壁接触后，再开动钻床进行钻孔，这样操作基本上能保证原底孔孔位保持不变。(3)扩孔所用的钻头顶角要小，以减小钻削时的径向偏心力及振动，增大自动定心的作用和效果。
若底孔位置经检测确定底孔孔位偏移时，一般孔位超差≤0.10时，可采用较大顶角(削弱自动定心作用) ，直径Φ6㎜的钻头进行纠偏，随着钻削沉坑的扩大，应检查实际加工线与孔找正边框线的接触情况，如果发生钻偏，则在侧面加适当力进行切削，但横向力不能太大，防止钻头折断。钻削深度不要太大，只要游标卡尺能测量即可。用Φ6㎜以上钻头纠偏时一件要用平口钳夹持，找正工件的水平，露出钳口3—4mm，以便进行测量。通过逐步加大钻头直经进行扩张方式，不断测量、不断纠正来达到孔位精度要求。若底孔位置精度达到要求，用Φ9.8钻头钻孔，再用Φ10H7铰刀铰孔，达到孔位精度要求。
五、切削液的合理使用
钻头的切削是在空间狭窄的孔中进行，因此切削液的种类及给注方式对钻头寿命及孔的加工精度有很大影响。切削液可分为水溶性和非水溶性两大类。非水溶性切削液的润滑性、浸润性和抗粘接性较好，同时还具有防锈作用。水溶性切削液的冷却性较好，不发烟和无可燃性。出于对环境保护的考虑，近年来水溶性切削液的使用量较大。但是，如果水溶性切削液的稀释倍率不当或切削液变质，会大大缩短刀具使用寿命，所以使用中必须加以注意。不论是水溶性或非水溶性切削液，使用中都必须使切削液充分到达切削点。
以上方法能在钳工钻孔中提高钻孔的加工精度，在零件孔的加工中应加以注意。
综上所述，钳工的孔加工与钻头的刃磨、正确划线、打样冲眼、钻孔、切削液的合理使用有关系。经过多年的实践探索，我在这几个方面摸索出了一些切实可行的办法，经过实践验证，效果很好，切实可行。
参考文献
[1]曹默.钳工基本操作技能[M].机械工业出版社, 1992, (7) .
[2]滕长福.高级钳工技术[M].机械工业出版社, 2004, (10) .
[3]谢增明.钳工技能训练 (第四版) [M].中国劳动社会保障出版社, 2005.
对玻璃材料进行钻孔加工工艺探析 篇2
关键词：玻璃 钻孔 工艺探析
在机械专业钳工加工工艺中，孔加工课题向来是一门比较复杂，难掌握的技术，尤其是对一些特殊的脆性材料，比如玻璃、陶瓷、石材、单晶硅与多晶硅板等。
由于玻璃具有脆性大、硬度高、散热性差、热膨胀系数大（与金属比较）和装夹定位困难等多种原因，导致这项技术在机械加工中的应用受到较大限制。
虽然在玻璃的孔加工上有诸多难题，但在实际生产中，往往由于产品研制，非定型产品的改进或单台设备维修中非通用零配件制造以及装饰、装修行业等，仍不时会遇到对玻璃材料进行孔加工的特别实例。针对上述情况，笔者结合多年设备维修和从事钳工教学的实践，总结探索出对普通石英玻璃进行孔加工的一些方法技巧。
一、加工原理及设备
对玻璃材料进行孔加工的工艺原理，就是利用高速旋转的磨体（顶端带有嵌砂槽的木质磨头）携带金刚砂磨料，在磨料、磨体、磨剂（煤油、盐水混合剂）的共同作用下，以磨粒间的相互碰撞切割、磨剂的化学渗透冲刷、磨体的轴向挤压和径向摩擦，使被加工材料一点一点破碎，耗损成为孔的形状。
由于玻璃的主要成分为二氧化硅（SiO2），俗称石英砂，其硬度在莫氏6～8之间，因此，所选磨料硬度必须高于玻璃的硬度。根据实验，我们对以石英砂为主要成分的玻璃材料进行孔加工时，可选用莫氏硬度为9～10之间，粒度为100～120目的碳化硅（SiC）材料为宜。
对设备的选择则是根据所加工玻璃的厚度、硬度、形状、尺寸而定，一般而言，能够满足钻孔所需的各类钻床、立式铣床、研磨机均可用于玻璃钻孔。
二、装夹定位及加工
对玻璃材料所进行的孔加工，无论是其钻削方法，还是钻削原理都不同于普通金属钻削。因而，钻床主轴作用在工件上的扭矩并不需要很大，所以在加工时我们不必将被加工体装夹固定在钻床工作台上，而只需平放在工作台上用手辅助固定即可。
在这里需要强调的是，一般钻床上为防止钻头在孔即将钻穿时，钻头直接损伤工作台表面，往往会在被加工材料下边做垫空处理，或在主轴延长线上的工作台对应位置直接预留退刀孔。这在金属材料的孔加工过程中是必要的，而对玻璃这种特殊的脆性材料而言，却是大忌。因为在钻头即将穿透工件时，必然会由于被加工材料厚度的逐渐变薄而使强度急剧降低，如果此时工件下面呈悬空状态，则会由于主轴轴向力的突然增大而使异常脆弱的孔底材料发生大面积崩落，甚至造成整个工件沿孔径方向呈放射性断裂。
为防止这种现象的发生，我们可根据被加工件的表面积大小，选择一块面积稍大于工件周边尺寸，且事先经过盐水浸泡的、材质较软的、厚度在20毫米左右的松木板或桃木板，衬垫在被加工玻璃下面。
三、划线与钻削用量
由于是在玻璃平面上直接进行钻孔，为保证孔的位置精度，我们可参考一般平面划线的方法首先确定孔的位置。在对正、找准孔的中心位置后，我们只要掌握好主轴转速和轴向进给速度两个参数就可以了。鉴于被加工材料特殊的物理化学性质，其主轴线速度应控制在每分钟45米（m/min）左右。
对于轴向进给速度，我们可根据研磨进给量而定，但要注意，主轴尽可能不要选择自动进给方式，而应采用半浮动自由进给。对于厚度在5mm以下的加工材料，操作者还要通过手控措施，防止因主轴进给过快、轴向压力陡增造成材料崩裂破碎。
除了熟练掌握主轴转速和进给方式这两项操作要点之外，为保证所加工孔径符合公差尺寸，我们还要根据磨料粒度，精确计算钻头（研磨体）直径，因为在研磨体与工件的相对运动过程中，除了钻床主轴的径向跳动偏差之外，其磨料也有一部分会围绕研磨体参与径向切削，这些都会导致所加工出的实际孔径大于理论孔径。所以我们在确定研磨体直径时，应把主轴径向跳动量（事先用百分表测出）、磨料粒度直径等都考虑在内。
由于玻璃材料热膨胀系数大、韧性差，所以在加工过程中，操作者要及时不停地用水对工件表面进行冷却。这样做不仅可以有效减少工件热聚集，而且还能将磨料沿磨体螺旋槽向下输送至磨体顶端，同时还能冲走研磨产生的碎屑，提高加工精度和生产效率。
以上叙述，旨在启迪本专业学生能够运用机械制造及机械加工的一般原理、工艺，触类旁通地解决现实生产中所遇到的各种非常规问题，使在校学生进一步拓宽专业领域，增强复合技能，更好地适应新行业不断崛起的挑战，为毕业后的就业创业提供更有力的技术支撑。
差速器壳体预钻孔加工 篇3
差速器壳体合件是轮式拖拉机转向系差速器中的重要部件之一, 其圆周面上径向孔的精度对于行星齿轮的装配要求有着重要的影响。对于精度孔的加工, 需要先预钻孔后精镗。传统的翻转夹具是在立钻上加工预钻孔, 存在操作繁琐、劳动强度大、加工效率不高等问题;而用立式加工中心, 精度虽有保证, 但单一钻孔加工效率不高, 对于批量不大的生产是大材小用, 无法发挥加工中心的优越性。
由此需要设计专机, 在满足零件加工要求的前提下, 降低劳动强度, 提高加工效率。
2 预钻孔专机的设计
基于差速器壳体品种繁多、结构相似, 我们选取其中一个典型零件进行分析。如图1, 零件材料QT450-10, 需加工的孔为4-φ14F7, 表面粗糙度为Ra3.2, 同轴度与位置度要求如图1所示, 并保证孔的中心与底面高度为25.2+0.15+0.05mm。初步确定该孔的加工为先预钻钻镗。下面着重阐述预钻孔专机的设计。
2.1 预钻孔专机方案拟定
对于该预钻孔夹具以零件底面和外圆准115-0.01-0.04mm定位, 因螺栓孔的位置度要求不高, 选用零件上的螺栓头的外圆粗定位控制轴向的转动自由度。零件的压紧采用中间伸出螺杆在顶面用开口垫圈配合球面螺母压紧。需要注意的是在考虑压紧结构的时候要避免定位结构受力, 定位的位置也要考虑刀具切削力的影响, 保证定位结构在加工过程中的定位精度。根据零件预钻孔大小为准13.5mm, 刀具选用浅孔钻, 为了适应它的刚性, 采用铣削头配合钻孔, 这样就可以省去夹具上的钻套, 使夹具更简洁。对于刀具的选择需要注意, 因该零件钻孔的面是圆弧曲面, 没有预钻中心孔, 对于不带钻套的浅孔钻刀具虽然刚性可以, 也会有一定的变形量, 所以为了更好地适应加工环境保证加工精度, 要选择主偏角Kr较小点的, 便于定心。对同轴的两孔采用两组机械滑台双向同时进给, 使零件对称受力, 保证两孔的同轴度要求。并在夹具上装配液压等分回转台, 实现高精度定位, 对相对应的不同位置孔进行加工, 实现一次装夹多工位加工, 保证了零件位置度, 同时避免了反复装夹的繁琐和多次定位误差, 提高了加工精度和效率。预钻孔专机总体结构如图2所示。后续的精镗原理上类似, 这里不再赘述。
1.侧底座2.机械滑台3.铣削头4.连接底座5.液压回转台6.夹具
2.2 设计计算与选型
(1) 首先根据零件材料QT450-10, 确定材料硬度为160~210HB, 抗拉强度为450MPa, 选择刀具的切削速度v和进给量f (切削参数以刀具厂家推荐为准) 。本设计选用带硬质合金刀片可转位钻头。可转位刀片钻头将钢制钻柄的韧性和硬质合金的耐磨性有机结合, 更换磨钝的可转位刀片, 而不是重磨刀片, 使用寿命长, 可靠性和精度都比传统钻头高。
(2) 确定铣削头转速和功率
根据公式确定铣削头转速, 式中n为铣削头转速, r/min;v为切削速度, m/min;d为刀具直径, mm。
硬质合金钻头加工铸铁件的切削用量计算如下:
轴向切削力切削扭矩
式中, F为轴向切削力, N;D为钻头直径, mm;f为进给量, mm/r;HB为布氏硬度:T为切削扭矩, N·mm;P为切削功率, kW。
为了适应多品种加工, 以最大的差速器壳体预钻孔D=21.5计算, 综合其他因素, 在满足切削功率的要求下, 保证铣削头正常工作, 最后选定铣削头的额定功率为4kW, 主轴转速为1000r/min。
(3) 滑台选型
因为是预钻孔, 对于孔的精度要求不是很高, 所以选用机械滑台就能满足加工要求。
根据刀具布置图上零件的加工深度, 确定走刀行程, 从而选择滑台的行程长度;
根据公式s=nf确定滑台工进速度, 式中, s为工进线速度, mm/min。
根据轴向切削力F, 确定滑台的最大进给力。最后综合上述数据以及铣削头的外形连接尺寸, 确定机械滑台的型号, 并选择相应的侧底座。
(4) 液压回转台选型
对于回转台的选型要根据夹具的外形和重量是否在规定范围内, 还有回转台的分度精度是否满足加工精度要求, 主要还要考虑切削力对回转台的倾覆力矩是否在范围以内, 最后就是根据零件的加工要求选择等分度数。该设计选用的是液压油缸驱动, 转台分度元件为端齿盘, 抬起式转位, 分度精度高的液压四等分回转台。
最后根据以上选择的型号尺寸, 综合考虑刀具的布置、工人的操作位置的合理性以及排屑等问题设计夹具的底座, 把滑台、底座及回转台合理地组合在一起。因为零件是铸铁, 刀具是硬质合金, 可以不用配备冷却系统。根据型号和加工动作要求, 配备液压系统和电器系统, 完成整机的设计。
3 结语
该专机采用两组机械滑台双向进给, 配合液压回转更换工位, 大大提高了加工的效率。组合机床对于大批量生产的零件很有优势, 但其本身结构固定, 加工品种单一, 灵活性不够, 不能很好地适应当代加工行业多元化的趋势, 这也是组合机床存在的普遍矛盾。加工中心的普及, 虽然解决了多品种加工问题, 但效率上不及组合机床, 而且成本较高。对于中国当前的经济水平, 专机的应用还是必要的, 关键在于应用场合, 以及如何灵活多变地去组合应用。该专机引入了液压回转台提高了自动化程度。由此引发的思考, 对于未来组合机床的应用, 在改进组合部件使其更利于调整组合方式的前提下, 还应该结合一些现代发展的科技产品, 包括液压气动机械、电子电器等等优化组合, 使其更好地适应多元化加工。
参考文献
[1]王先逵.机械加工工艺手册[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[2]谢家瀛.组合机床设计简明手册[M].北京:机械工业出版社, 1994.
钻孔加工 篇4
1 教学工具
通过运用多媒体、教材及其他辅助工具等实现对课本内容学习的圆满完成, 从而不断提高学生的实践操作能力和专业水平, 最终促进教学效率的提高。
2 教学对象
学生正处在一个身心不断发展、变化的阶段, 他们的思想、行为等比较活跃, 虽对社会有一定的认知能力, 但还需要正确的人生观、价值观和世界观作指引。另外, 学生对实际动手操作的兴趣非常浓厚, 也具有一定的实践操作能力, 但是真正运用所学知识进行操作的能力仍然较差, 有待提升。
3 教学目标
教学目标主要为:①让学生在学习过程中掌握操作技能, 在学习中了解生活常识, 最终提高他们的实践能力。②使学生与教师彼此协同作战。在教学的过程中, 要以学生学习为主, 教师指导为辅, 师生共同努力, 营造和谐、积极的课堂气氛。另外, 教师在传授知识的过程中, 不能只是单一地教给学生专业知识和专业技能, 而是要将学生培养成德、智、体、美、劳全面发展的综合型人才, 使学生在步入社会后为国家奉献自己的一份绵薄之力。
4 教学重点和教学难点
4.1 教学重点
教学重点就是为教学目标而服务, 让学生在不断学习的过程中逐步了解、学习数控加工中心钻孔加工的一些专业知识, 并且慢慢地锻炼他们掌握专业知识的能力, 快速学习钻孔技术、零部件加工等操作技能。
4.2 教学难点
让学生在数控加工中心钻孔加工一体化教学过程中逐渐学会运用相应的操作工具和循环指令, 及时完成数控加工过程中需要完成的任务, 以促进学生实际操作能力的提升, 并且使他们时刻保持高度的责任感和强烈的时间观念, 从而使他们在这样的思想观念下完成数控加工相关操作。
5 教学方法
针对本课程注重实践操作能力、锻炼学生动手能力的特点与发展特性, 我们采用了实际操作的方法, 即教师布置一项具体的操作作业, 让学生在模拟车间实践操作, 并让学生在规定的时间内完成工作任务, 从而在实践操作过程中不断提高学生的钻孔加工专业技能, 提高他们操作的熟练程度, 让他们更好、更快地完成工作任务。这样, 就可以培养学生的生存技巧, 提高其生存技能, 为他们在以后的企业发展中占有一席之地赢得先机。
6 教学全过程
6.1 教师分配工作任务
教师把学生带到具体的操作实验车间, 让学生自行组合, 然后分配具体的工作任务。
6.2 自主研究、探讨工作任务
在实际操作过程中, 应先让学生自主探究, 教师在旁边加以引导, 然后在车床上进行钻孔技术的实际操作。通过不同的实践操作方式, 让学生通过亲自动手操作掌握切割、钻孔时选用哪种刀具, 掌握刀具的规格和钻孔缝隙的尺寸等。如此反复实践, 师生共同作战, 在交流与沟通的过程中逐步达到钻孔加工一体化教学实施的最佳效果。
6.3 对工作任务作出总结
在完成一系列操作以后, 教师需要引导学生不断思考, 比如具体该从哪个环节开始, 使用哪种工具更合适, 哪种钻孔方式更适合钻井工作的开展和企业的发展等。
7 布置作业任务
整个教学过程的顺利完成, 意味着教学课堂的结束。当然, 这还不算全部完成, 还需给学生布置一些作业任务, 以期不断加深学生对课本知识的理解, 提高动手操作的能力, 使学生不断探索与追求新的知识。具体的作业内容包括以下三点:①学生要回味并细细地揣摩本节课所学的专业知识, 思考自己对哪个环节还掌握得不够, 从而不断提升自己的操作技能, 有效把握操作的尺度。②认真、客观地填写教师发放的学习报告, 不能弄虚作假。这在一定程度上可以检验学生实践操作的能力和对专业知识的了解程度, 让学生对自身的情况有个基本的认识。③学生需要自主探索新的知识, 自行研究与分析数控加工过程中可能遇到的问题, 预估技术含量等。这种新的教学模数能够促使学生不断思考与探索, 逐渐提高对自身的要求;培养了学生孜孜不倦追求知识的精神, 提高了学生在实践中处理问题的能力。
参考文献
[1]肖建琼.高校计算机公共课课程体系改革探索与实践[J].教育信息化, 2005 (10) .
[2]陈丽琼.任务驱动型教学法在中技计算机教学中的应用[J].教育导刊, 2006 (04) .
[3]李锋, 孙莉.任务驱动式方法在离散数学教学中的运用[J].计算机教育, 2006 (03) .
钻孔加工 篇5
碳纤维复合材料 (CFRP) 具备极佳的综合性能, 诸如高比强、高比模、耐高温、耐磨、耐疲劳、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优良的综合性能, 目前在航空航天、军工、汽车等领域中得到了广泛的应用[1,2]。预计2015年我国大飞机碳纤维复合材料用量达到25%, 对碳纤维的需求量约2 500 t[3]。目前, 碳纤维复合材料大多采用多向铺层的叠层工艺方式制造成型[4], 在钻孔加工过程中, 由于切削力、切削温度及材料本身性能影响, 加工后孔表面质量不易保证, 经常会出现分层、撕裂、毛刺等加工缺陷, 并且使用传统刀具材料时, 刀具易磨损, 寿命低, 而使用PCD刀具钻削加工碳纤维复合材料时, 不但能够获得良好的加工质量, 而且刀具寿命长。
本研究提出的钻削试验采用DM2500M金相显微镜、KEYENCE VHX-1000三维显微系统以及DECK-EL MAHO DMU 50 evo linear五轴加工中心, 加工中心的刀具夹持系统为HSK-A63, 试验材料为碳纤维增强双马树脂基复合材料 (T300) , 外形尺寸长200 mm×宽80 mm×厚3.5 mm长方型板材。试验主要分析碳纤维复合材料钻孔加工的主要缺陷分类及原因, 以及切削参数对加工质量的影响。
1 碳纤维复合材料孔加工主要缺陷
1.1 孔加工的主要缺陷分类
碳纤维复合材料在钻削过程中会出现各种加工缺陷, 其示意图如图1所示。
这些缺陷主要可分为两类缺陷: (1) 孔的尺寸精度、位置精度不合格, 圆度超差等几何缺陷, 如孔形不圆、孔的尺寸收缩, 这些缺陷在金属材料制孔中也会存在; (2) 孔出、入口处的纤维劈裂或撕裂, 孔内壁周围材料分层以及孔壁表面的微裂纹等碳纤维复合材料制孔时存在的特有缺陷, 这也是碳纤维复合材料制件连接和装配中导致报废的主要原因。
孔口处是这些缺陷出现的主要部位, 一般来说钻孔入口的撕裂、毛刺现象较出口处的撕裂毛刺程度小, 碳纤维复合材料钻孔出口缺陷主要由撕裂和毛边两部分组成;其中撕裂一般比毛边的尺寸大, 而且在构件实际使用中的负面影响也比较大, 所以对孔口缺陷的研究以撕裂为主。撕裂的形成过程包括两个作用阶段, 即横刃作用阶段和主切削刃作用阶段, 其中横刃作用在撕裂形成中占主导成分[5]。毛边缺陷是指在孔边缘部分存在的未完全切断的表层纤维, 通常出现在材料表层纤维被切削的孔边缘部分。
通过钻削试验的观察可见, 毛刺缺陷分布呈现一定的区域性, 毛刺、撕裂缺陷照片如图2所示。根据碳纤维复合材料的切削机理可知, 这种区域性特征是由于切削时纤维角的不同造成的。从图2得出, 毛刺、撕裂出现的区域与纤维的角度有很大关系。碳纤维复合材料钻削过程中, 假设“顺剪”时纤维角为锐角, “逆剪”时纤维角为钝角, 则钻头旋转一周, 钻头主切削刃处于“顺剪切”→“逆剪切”→“顺剪切”→“逆剪切”的周期性变化。所以“顺剪”切削时, 纤维不容易被切断形成毛刺撕裂缺陷, “逆剪”切削时, 材料容易被切断, 无毛刺或较小毛刺撕裂缺陷产生。
1.2 钻孔缺陷的原因分析
1.2.1 钻削力
在制孔过程中, 当钻头切入复合材料时, 主切削刃首先使纤维剥开, 然后把它切断, 这种剥离对孔的入口端最外层材料的影响最大, 当纤维被剥离开时, 钻头的切削刃必须同时切断纤维, 假如不能全部切断或者所要求的切削力超过基体树脂的强度, 就会产生开裂并沿着表面层纤维的取向扩展, 这正是孔的入口处出现劈裂的原因[6]。
由于钻削过程中轴向力始终施加在材料表面上, 使得复合材料层压板各层沿厚度方向依次受到一种拉力, 从而在孔壁周围材料层中产生一定的层间应力, 这种层间应力过大, 则易出现分层。同时在碳纤维复合材料的钻削过程中, 钻削力是周期性变化的, 周期性变化的轴向力必然使得孔壁周围材料承受交变应力, 进而增加分层的可能性, 一般作用在层合板上的轴向力越大, 层间法向拉伸正应力就越大, 因此出现分层的可能性也就越大。对碳纤维复合材料钻孔在钻出过程中, 随着待切削材料层不断减少, 钻孔处刚性不断下降。当钻头横刃首先接触到外层纤维时, 即相当于给这一层材料施加了一个与其他纤维层分开的推力。由于横刃具有负前角而不锋利, 孔出口端最外层纤维不是立即被切断, 而是在轴向力作用下向外退让, 此时最外层纤维可能与基体撕开, 造成出口撕裂[7]。
1.2.2. 刀具的锋利性
毛刺主要是由于钻头的切削刃锋利性差决定的。切削刃锋利性差在造成钻头切削性能下降的同时, 也会导致钻削力的增大, 所以切削刃的锋利性差也是造成毛刺、撕裂、劈裂缺陷的主要原因之一。
因此刀具切削刃的锋利性成为钻削高质量孔主要影响因素;由于PCD刀具的切削刃可以刃磨的很锋利, 很适合加工复合材料[8,9]。分析试验加工孔的孔壁质量大都符合复合材料的加工质量要求, 主要缺陷出现在孔出口处, 特别在较低转速下孔口毛刺撕裂现象较为严重。
1.2.3 钻削温度
钻削碳纤维复合材料时, 随着刀具与工件接触部位的温度产生并增高, 由于纤维、基体两种组分的热膨胀系数不同, 在切削过程中产生热应力, 受到热效应的几何边界层将会产生应力集中, 产生局部应变, 从而引起分层撕裂等缺陷, 导致刀具的快速磨损, 并可能损伤复合材料的性能[10,11]。
从以上分析可知, 钻削力是影响碳纤维复合材料制孔质量的重要因素, 是引起分层缺陷和孔口缺陷的主要原因。在钻削过程中, 钻削力越大, 分层与撕裂的可能性及破坏的范围越大。
2 切削参数对加工质量的影响
2.1 钻削速度对孔口缺陷的影响
在使用PCD钻头钻削碳纤维复合材料时, 主轴转速与孔的出口撕裂、毛刺因子的关系图如图3所示。可以看出, 随着主轴转速的提高, 加工孔出口的撕裂与毛刺因子呈下降趋势;并可以看出, 试验中孔口质量在n=10 000 r/min时出口毛刺、撕裂程度最小;在较低转速下, 孔口处的撕裂、毛刺缺陷较大, 故用PCD钻头加工复合材料时宜在中、高速转速下进行, 高转速下钻头切削刃更易切断纤维, 可以得到更高质量的钻孔。
2.2 进给速度对加工质量的影响
在转速为8 000 r/min的情况下, 进给速度不同时, 研究者使用PCD钻头加工的碳纤维复合材料孔口形貌图片如图4所示。
(vf=200 mm/min)
从图4中可以看出, 随着进给速度的增加, 孔口的毛刺现象有明显增大的趋势。进给速度是影响钻削轴向力的大小的主要因素, 这就说明钻削轴向力对钻孔出口质量有较大的影响。通过进一步观察可以发现, 进给速度的变化与加工孔口的毛刺大小变化基本呈正比例关系。并且通过对比钻孔的进口与出口形貌可以发现, 钻孔的入口处几乎没有毛刺、撕裂等缺陷, 毛刺、撕裂缺陷主要集中在出口部位。
为了进一步分析不同加工参数下孔口的加工质量, 本研究利用VHX-1000型超景深显微镜对不同加工参数的制孔出口表面进行观测, 其结果如图5所示。
可以看出, 随着进给速度增大, 孔口处的毛边现象越来越严重, 不同的加工参数, 加工后的出口表面质量亦不同。孔口的加工质量与切削参数有着密切的关系。
3 结束语
本研究通过试验主要分析了碳纤维复合材料孔加工的主要缺陷分类与原因, 以及切削参数对加工质量的影响, 研究结果表明, 孔口处是碳纤维复合材料钻孔加工缺陷出现的主要部位, 并呈现一定的区域性;钻孔毛刺、撕裂缺陷主要集中在出口部位, 入口处几乎没有毛刺、撕裂等缺陷;钻孔孔口处的毛刺、撕裂缺陷受进给速度Vf和主轴转速n影响, Vf越大, 撕裂、毛刺程度增大;在较低主轴转速下, 钻孔出口质量较差, 故用PCD钻头加工复合材料宜在中、高转速下进行, 高转速下钻头切削刃更易切断纤维, 可以得到质量更好的钻孔;高速下毛刺、撕裂现象明显减少。
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