1.前言碳纤维增强复合材料(CFRP)具有比强度高、比模量高、减振性好等优点，已广泛应用于航空航天领域，在汽车、医疗器械、运动器材等行业的应用也越来越多。随着CFRP应用领域的扩大，解决CFRP的高精高效加工问题日益迫切。为此，作者研制了一种新型的孔加工工具————电镀金刚石复合钻，它能有效解决普通麻花钻加工CFRP时的脱层和劈裂问题，并能显著提高钻头的寿命。2.CFRP钻孔缺陷及改进措施。一般来说，在CFRP板上钻孔时，容易出现脱层、劈裂、烧伤等缺陷，其中脱层、劈裂对加工质量的影响最大。据介绍，在AV-8B飞机的制造中，CFRP孔分层、劈裂导致的不合格零件占全机不合格零件的60%以上[1]。产生脱层和劈裂的主要原因有：(1)CFRP层压板由碳纤维层构成，各层之间用树脂粘接。由于CFRP是一种各向异性材料，它的力学性能在不同的方向是不同的。材料沿纤维铺层方向的强度高，而垂直于纤维铺层方向的强度取决于树脂结合强度。通常，层间结合强度仅为纤维铺层方向强度的2.2%。(2)钻孔时，存在垂直于纤维铺层方向的轴向力Fz，这导致层压板中的法向应力。当切削力产生的法向应力超过树脂结合强度时，就会发生树脂断裂、纤维层分层或劈裂。轴向力越大，脱层和劈裂越严重。因此，降低钻削轴向力是解决脱层和劈裂问题的有效途径。在钻削过程中，轴向力主要受钻削参数、刀具材料和钻头类型的影响。在研制电镀金刚石复合钻头时，为了提高钻削效率和刀具寿命，选择了合适的刀具材料，设计了新的钻头结构，并综合考虑了钻削参数对加工表面质量的影响。3.电镀金刚石复合钻图1所示为新开发的电镀金刚石复合钻。钻头的基材是45钢，直径7.8 mm(工件孔径8.0 mm)，顶角50。钻头的锥体镀有粒度为80 #的金刚石，锥体上有两个对称的螺旋形分屑槽，可以容纳和排出切屑，防止切屑堵塞和烧伤工件。复合钻的前端有一个导向钻(材质为Y330)，其直径约为加工孔直径的1/3。伸缩长度可根据CFRP板的厚度进行调整。导向钻起到预钻的作用，避免钻芯处零切削速度导致切削条件恶化。小直径导向孔钻也会产生微小的切削缺陷，但由于其直径范围小于最终孔径，在金刚石钻头钻进过程中会被切断。1.定位螺栓2。位基3。切屑槽4。金刚石钻头5。导钻图1电镀金刚石复合钻(图)金刚石刀具具有刀尖锋利、多刃切削、耐磨性优异等优点，非常适合切削难加工材料。如前所述，CFRP钻孔分层和劈裂的主要原因是钻孔轴向力在加工表面形成的法向应力超过了CFRP的层间结合强度。由于金刚石钻头是多刃切削，轴向力被分散，加工面上的法向应力也明显减小。此外，由于钻尖锋利，钻孔时CFRP纤维的断裂变形小，从而降低了分层和劈裂的程度。设计金刚石钻头时应注意以下几点：(1)胎体锥顶角宜为50 ~ 60。顶角过小，钻孔时间会延长，工件容易烧伤；顶角过大，钻孔轴向力增大，工件容易分层、劈裂。(2)导向钻的直径一般不宜过大
测试参数：n=12000r/min，f=0.005mm/r，测试钻头：1 #:电镀金刚石复合钻头，直径8mm2 #:普通硬质合金钻头，直径8mm。在上述条件下，用1 #和2 #钻头钻4mm厚的CFRP板。钻井过程中的轴向力Fz和扭矩M如表1所示。加工孔壁表面截面的金相显微照片如图2所示。钻井过程中的轴向力和扭矩仪FZ(KGF)M(KGF * cm)1 # 0 . 450 . 562 # 1 . 550 . 78(a)金刚石复合钻头(b)普通硬质合金钻头图2孔壁金相显微照片从上表可以看出，电镀金刚石复合钻头钻CFRP时，轴向力和扭矩都很小，分别约为。从图2中可以看出，1号钻头加工的工件表面没有分层和劈裂现象，而2号钻头加工的工件表面有明显的分层和劈裂现象。图3是加工孔的入口和出口的照片。钻削试验结果表明，在高速、低进给量的切削条件下，电镀金刚石复合钻头可用于钻削CFRP板，并可获得非常理想的加工表面。(a)金刚石复合钻头(b)普通硬质合金钻头图3照片5在加工孔的入口和出口处。
结论电镀金刚石复合钻头是一种新型孔加工刀具，与其它类型的金刚石刀具相比，其制造工艺简单，刀具成本低；由于具有刀尖锋利、多刃切削等优点，该钻头在高速、低进给条件下钻削CFRP板材时，基本无分层、劈裂现象，可明显提高生产率。
