25、单步钻削 Ti/CFRP/Al 叠层材料时多刃带涂层刀具的性能研究

单步钻削 Ti/CFRP/Al 叠层材料时多刃带涂层刀具的性能研究

1. 引言

在航空航天领域，金属 - 复合材料叠层结构中紧固件孔的完整性和尺寸精度至关重要，尤其是在飞机机身的螺栓/铆接接头承受严重载荷的情况下。过去约 15 年里，用于加工此类孔的钻削工艺技术一直是研究热点。

早期研究聚焦于不同刀具材料、切削速度和进给率对切削力、刀具磨损和毛刺形成的影响。例如，在湿钻多向石墨/双马来酰亚胺（Gr/Bi）和钛（Ti）叠层工件时，较高的切削速度会使钛层温度升高，导致刀具磨损加剧和孔质量严重下降；较高的进给率会增加推力、扭矩和工件表面粗糙度，但能减少毛刺尺寸和复合材料热损伤。因此，推荐使用硬质合金钻头，采用低切削速度和中等进给率的加工条件。

在钻削 Al/CFRP/Ti 叠层材料时，使用低切削速度（10 m/min）的硬质合金阶梯钻头并配合微量润滑（MQL），在孔质量和刀具寿命方面效果最佳。而硬硼化钛（TiB₂）和金刚石涂层的影响有限。此外，从叠层底部排出钛屑会对 CFRP/Ti 界面造成严重损伤，并侵蚀复合材料孔表面。

近期研究评估了操作参数、切削环境和先进金刚石涂层对钻削三层金属 - 复合材料叠层时刀具磨损和孔精度/表面完整性的影响。研究表明，切削环境对整体孔质量有显著影响，使用高压（70 bar）切削液可降低表面粗糙度、毛刺高度和 CFRP 层的分层，同时减少 Ti 和 Al 层的应变硬化。对比类金刚石碳（DLC）和化学气相沉积（CVD）金刚石涂层硬质合金钻头在单步钻削 Ti/CFRP/Al 叠层时的性能，发现前者通常因渐进磨损和工件材料粘附导致刀具角断裂，而后者的磨损主要表现为涂层剥落和分层，但 CVD 金刚石涂层钻头能加工出圆柱度和直径精度更高、毛刺更少