表面鍍膜刀具鉆削試驗研究

王申銀， 袁 野， 吳 冉

（1.濟寧職業技術學院 機電工程系，山東 濟寧 272137；2.濟寧職業技術學院 實訓中心，山東 濟寧 272137）

表面鍍膜刀具鉆削試驗研究

王申銀1， 袁 野2， 吳 冉1

（1.濟寧職業技術學院 機電工程系，山東 濟寧 272137；2.濟寧職業技術學院 實訓中心，山東 濟寧 272137）

均勻鍍覆鎳-金剛石薄膜于刀具表面，以提高刀具基體的硬度并起保護作用，減輕磨損程度。選取難加工的碳纖維復合材料作為對象，以軸向力和扭矩為指標，進行鉆削試驗研究。得出結論：鍍膜刀具的軸向力、扭矩和表面磨損不同程度地受鉆削參數的影響；為減輕刀具的磨損并獲得較好的加工質量，宜合理設定進給量、鉆削速率等參數。

刀具；表面鍍覆；鎳－金剛石薄膜；鉆削；軸向力；扭矩

0 前言

碳纖維復合材料兼具熱膨脹系數低、熱容量小、比強度高、耐高溫性能好、耐熱沖擊性能和耐腐蝕性能突出等優點，在航空航天、機械、生物和交通等領域中獲得廣泛應用。然而，特殊的結構在賦予碳纖維復合材料優異性能的同時，也賦予其難加工的特性［1－2］。尤其是用以鉆削加工，因碳纖維復合材料的硬度高且導熱性差，加之切屑形成機制復雜，極易造成刀具磨損，嚴重影響鉆削性能及加工質量。對此，為獲得較好的鉆削加工質量，同時避免刀具過度磨損，必須設法提高刀具基體的硬度并強化切削熱量的散失。研究表明［3］：金剛石具備極優的物理力學性能、極好的導熱性能和極低的熱膨脹系數，是制造優質鉆削刀具或對刀具表面進行強化的極佳材料。鉆削試驗同樣證實：表面涂覆/鍍覆純金剛石薄膜或含金剛石微粉的復合薄膜的刀具，其耐磨性明顯提高［4－5］。以此為指導，本文采用電鍍工藝制得表面鍍覆鎳金剛石復合薄膜的刀具。并選取難加工的碳纖維復合材料作為對象，以軸向力和扭矩為指標，開展鍍膜刀具鉆削試驗研究。

1 表面鍍覆

刀具表面鍍覆所用的溶液組成為：NiSO4240 g/L，NiCl230g/L，NH4Cl 10g/L，H3BO340g/L，潤濕劑適量，金剛石微粉18g/L。溶液用蒸餾水配制。鍍覆前，徹底清除刀具表面殘存的油污及附著的銹蝕層，以增加鍍層與刀具基體的結合強度，并為后續電鍍環節創造前提條件。同時，采用強酸溶解法對金剛石微粉進行提純處理，去除可能摻雜于其中的金屬雜質，并采用有機溶劑浸泡法去除微粉表面殘存的油污，改善表面潤濕效果?？紤]到刀具表面結構較為特殊，選用雙象形陽極正對布置。為了確保金剛石微粉鑲嵌牢固，于刀具表面先鍍覆薄的純金屬鎳層，起鋪墊作用；再借助離心效應攪拌分散金剛石微粉，促使復合鍍層形成，疊加鍍覆鎳－金剛石薄膜。在不影響薄膜與刀具基體結合強度的前提下，為更進一步提高刀具的硬度、韌性和抗沖擊性能，對刀具進行適當的熱處理。

2 鉆削試驗

選取碳纖維復合材料作為對象，經必要的預處理后，在數控鉆床上進行鉆削試驗。設定參數為：鉆削速率40～120r/s，進給量0.01～0.03mm/r。為便于橫向比較，鉆削試驗采用單因素法進行，以軸向力和扭矩為指標，研究進給量和鉆削速率對刀具鉆削性能的影響。另外，采用掃描電子顯微鏡觀察刀具表面的磨損形貌，作為間接評價鉆削加工質量的參考依據。

3 結果與討論

3.1 軸向力

給定鉆削速率100r/s，研究進給量對軸向力的影響，結果如圖1所示。相反，給定進給量0.02 mm/r，研究鉆削速率對軸向力的影響，結果如圖2所示。結合圖1和圖2可知：在僅改變單一影響因素的條件下，隨著進給量的增加，軸向力遞增，且增幅基本平穩；而隨著鉆削速率的升高，盡管軸向力也呈遞增趨勢，但與前者相比增幅相對較小?？傮w而言，軸向力的變化規律符合切削加工原理［6］。

圖1 進給量對軸向力的影響

圖2 鉆削速率對軸向力的影響

但對于鉆削過程，軸向力與鉆削刀具的穩定性、被加工材料的變形趨向及加工精度等密切相關。軸向力越大，鉆削刀具橫向變形的可能性越高，磨損程度也越大，加工質量通常越差。故為減輕鉆削刀具的磨損程度，同時獲得較好的加工質量，宜兼顧并合理設定進給量和鉆削速率。

3.2 扭矩

給定鉆削速率100r/s，研究進給量對扭矩的影響，結果見圖3。相反，給定進給量0.02mm/r，研究鉆削速率對扭矩的影響，結果見圖4?？梢钥闯觯号c軸向力的變化趨勢不同，扭矩隨進給量和鉆削速率的改變均呈遞減趨勢，但遞減幅度存在一定差別。這是因為鉆削過程中刀具不可避免地發生磨損，并且磨損程度隨參數的改變（即進給量增加和鉆削速率升高）而加重。磨削造成刀具直徑不同程度地縮減，進而影響扭矩。

圖3 進給量對扭矩的影響

圖4 鉆削速率對扭矩的影響

3.3 刀具表面形貌

圖5（a）和5（b）分別為鍍膜刀具鉆削加工前、后橫刃的表面形貌。僅以此為例，間接評價鍍膜刀具的鉆削加工質量。對比圖5（a）和圖5（b）可知：經鉆削加工，刀具橫刃未出現嚴重的磨損狀況。由于表面均勻鍍覆鎳－金剛石薄膜，起到保護作用，因而間接提高刀具硬度，改善切削傳熱狀況，并增強刀具表面的耐磨性。故即便是用以鉆削難加工的碳纖維復合材料，鍍膜刀具依然展現出良好的性能，磨損較為輕微。

圖5 鍍膜刀具鉆削加工前、后橫刃的表面形貌

4 結論

鍍膜刀具的軸向力和扭矩隨鉆削參數的改變呈現出相近的變化趨勢。為減輕刀具的磨損并獲得較好的加工質量，宜合理設定進給量、鉆削速率等工藝參數。

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［1］蘇小萍.碳纖維增強復合材料的應用現狀［J］.高科技纖維與應用，2004，29（5）：34-36.

［2］杜善義.先進復合材料與航空航天［J］.復合材料學報，2007，24（1）：1-13.

［3］王光祖，胡建根.納米級金剛石的結構、性能與應用［J］.金剛石與磨料磨具工程，2000（5）：9-12.

［4］張崇高，楊海東，謝峰.金剛石薄膜涂層刀具切削性能與磨損過程的研究［J］.機械工程師，2003（10）：7-16.

［5］魏昕，張鳳林.CVD金剛石薄膜涂層刀具切削性能研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2000（3）：28-31.

［6］趙國華.切削原理與數控刀具［M］.北京：中國鐵道出版社，2012.

An Ⅰnvestigation of Drilling Experiment on Coated Tools

WANG Shen-yin1， YUAN Ye2， WU Ran1（
1.Mechanical and Electrical Engineering Department，Jining Occupation Technical College，Jining 272137，China；2.Practice Center，Jining Occupation Technical College，Jining 272137，China）

A nickel-diamond film was uniformly plated on tool surface to improve the hardness of tool matrix and play aprotection role，and also alleviate abrasion.An investigation of drilling experiment was conducted selecting difficult-to-machine carbon fiber composite as object and taking axial force and torque as index.The results show that the axial force，torque and surface abrasion of the coated tool are more or less affected by drilling parameters；in order to reduce tool wear and obtain a better machining quality，the processing parameters of feed，drilling rate，etc.should be reasonably set.

tool；surface plating；nickel-diamond film；drilling；axial force；torque

TQ 153

A

1000-4742（2014）03-0020-03

2013-11-20