整體式PCD鉆頭：促進CFRP孔加工領域發展

—沃爾德刀具技術工程師：李培帥

1、 背景

碳纖維復合材料（carbon fiber reinforced poly-mers，簡稱：CFRP）具有比強度高、比剛度大、耐腐蝕、疲勞性能好、設計自由度高等諸多優點，廣泛應用于動力機械制造材料領域。CFRP 材料可以單獨使用，也可以與鈦板和鋁板配合使用。舉例而言，某型號787制造材料的 80% 為復合材料，相當于其總重量的 50% ，可以減少 1500 張鋁板和 50000 個固定件的使用。與型號 767 相比，可以節省 20% 的燃油消耗。鋁及其合金由于輕質、易加工、比強度高、耐腐蝕等特點，在最新的民用動力機械制造中仍有大量應用。

為保證裝配精度，一般將復合材料放置在金屬材料上層一起加工裝配孔。CFRP 屬于高硬度脆性纖維材料，磨蝕性強，加工時刀具磨損嚴重，且 CFRP 層間強度較低，在孔的出口處容易形成撕裂及分層等缺陷。鋁合金化學活性較強、質地較軟、粘性強，刀具易產生粘著磨損，進一步降低了刀具壽命。為了鉆削 CFRP/Al 疊層材料時獲得更長的刀具壽命及更好的加工質量，國內外研究者們通過使用特殊的刀具結構，采用涂層刀具，優化鉆削參數等方式均得到了較理想的加工效果。

聚晶金剛石(PCD)刀具具有硬度高、抗壓強度高、導熱性及耐磨性好、摩擦系數小、與其他材料間親和力小等特性，可以獲得較高的加工精度及加工效率。鉆削 CFRP 時 PCD 鉆頭的加工效率和耐磨性遠高于硬質合金鉆頭。

在加工動力機械領域零配件時，多晶金剛石（PCD）刀具要比傳統的碳化鎢硬質合金刀具有更高的加工效率，領先的刀具制造商正在開發并生產 PCD鉆頭產品。這些刀具產品的切削刃采用 PCD 材料，鉆體部分為整體硬質合金材料。硬質合金鉆體有很好的剛性和尺寸精度，確保鉆孔的加工質量，螺旋式排屑槽可以提高排屑性能，這些特性對鉆孔加工是非常必要的。切削刃部分采用PCD 材料，耐磨性高，可提高加工效率及使用壽命。

2、 刀具開發過程

① 選材；

為解決普通鑲片式鉆頭無法制作大螺旋角的問題，我們選用前端圓柱或錐形PCD。對于較小直徑尺寸刀具來說，我們可以選用圖一PCD進行插片式設計，小直徑也可以做出大螺旋角度；大直徑鉆頭只能選用圖二圓柱PCD或錐形PCD才能保證大螺旋角度的設計。

② 焊接；

針對不同PCD原材料的選擇，我們選用不同焊接技術。鑲片式鉆頭無合金襯底選用真空釬焊技術，高效釬焊材料通常是高熔點聚合物材料，因此釬焊溫度很高，為避免高溫對金剛石氧化的負面作用，焊接選擇在真空環境中進行。針對大直徑圓柱型或錐形PCD材料我們選擇高頻焊接，感應高頻焊時，高頻電流通過工件外部感應圈的耦合作用而在工件內產生感應電流從而加熱工件及焊片，焊片融化冷卻后將多個單體零件焊接為一體。

③ 制作；

在對CFRP復合材料層疊板進行鉆孔加工時，選擇合適刀具槽型非常困難。CFRP 材料的鉆孔加工通常需要大螺旋角和長切削刃，因為碳纖維應當沿著切削刃發生剪切作用，長切削刃通過小鉆尖角實現。此外，CFRP材料的鉆孔加工還應降低軸向力，以避免在退刀時發生加工材料層裂。針對以上特點PCD鉆頭必須有非常鋒利的切削刃槽型，大的切削前角及大螺旋角，螺旋角約為 30°。為了實現孔徑緊密公差，鉆尖應當具備卓越的自定中心性能，這一點是絕對必要的。從另一個角度而言，鉆尖角度對毛刺的形成也起到重要的影響。眾所周知，鉆尖角在低于 90°或高于 150°時，可以幫助降低鉆孔出口處的毛刺高度，但自定中心性能不好。所以，推薦使用雙鉆尖角設計方案，其中內部鉆尖角為 130°，外部鉆尖角為 80°。PCD鉆頭采用雙支撐設計以增加被加工孔尺寸穩定性。

PCD材料難以加工，在PCD上做大螺旋角度更提升了難度，針對以上問題，我們采用電磨復合一體磨床PCD部分進行電解加工，合金部分進行磨削加工。這樣我們就可以針對不同工況對PCD鉆頭進行多種槽型和鉆尖設計。

④ 測量。

PCD整體式鉆頭制作完成，其質量控制也很關鍵。鉆頭刃部光潔度直接影響到加工過程中被加工工件的加工質量，加工完畢我們首先會在體式顯微鏡下觀測其刃口質量，在確保刃口光潔度優良且無崩缺的前提下，將產品放置于卓勒對刀儀上進行尺寸測量，以保證所加工產品尺寸在公差范圍之內。

3、 沃爾德PCD整體式鉆頭

碳纖維復合材料正廣泛應用于交通工具零部件的制造，孔加工是其重要的一道工序，因此，選擇高強度、高剛性、高耐磨性、高光潔度的刀具是保證鉆孔質量的前提。為此，沃爾德推出PCD整體式鉆頭，適用于加工各種碳纖維復合材料，孔徑規格從φ2.5～φ8均能實現，效率高、壽命長、外觀好，為提高碳纖維復合材料在動力機械制造及其他行業領域的鉆孔加工提供更優的解決方案。