纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Plastic，FRP），如碳纖維增強復合材料（CFRP）、玻璃纖維增強復合材料（GFRP）和凱夫拉（Kevlar）纖維增強復合材料，以其質量輕、比強度高、比剛度大、減振和抗疲勞性能好、耐腐蝕等諸多優越性能，廣泛應用于航空航天、交通運輸、生物醫療及體育用品等領域[1-3]。制孔是纖維增強復合材料制造過程中最重要的加工工序之一，在纖維增強復合材料應用廣泛的民用大型客機上，制孔工序占復合材料加工工作量的80%以上，一架波音747客機需要完成300多萬個連接孔的加工。因此，制孔質量和效率直接關系到纖維增強復合材料零件的使用性能、生產周期和生產成本。
由于FRP是由質軟而粘性大的基體材料和強度高、硬度大的纖維增強材料混合而成的二相或多相結構材料，其各向異性、低熱傳導率、低層間結合強度使其成為典型的難加工材料[5]。因此，在FRP制孔過程中，除傳統金屬材料制孔缺陷（尺寸誤差、圓度誤差、位置誤差和垂直度誤差等）外，還表現為分層、出入口撕裂與毛刺、孔壁表面纖維拔出等。由于纖維硬度高，刀具在切削時極易受到基體中硬質點的刻劃而產生磨損，并且由于切削熱在切削刃附近積聚，使刀具磨損加劇。在飛機制造領域的最終裝配環節，由鉆削分層缺陷導致的復合材料疊層零件報廢的比例高達60%。研究表明，復材鉆削分層和刀具磨損已成為纖維增強復合材料鉆削加工中最具挑戰性的兩大難題。隨著刀具制造技術的快速發展，優化的刀具結構設計、先進刀具材料和涂層技術成為解決針對上述問題的重要支撐。針對刀具快速磨損的問題，復材加工刀具需選擇耐磨性好的刀具材料和涂層來防止刀具快速磨損，延長刀具壽命。針對復材鉆削分層，可以通過優化刀具結構設計和優化加工工藝來控制分層缺陷。因此，先進刀具材料和涂層技術、優化的刀具結構設計和加工工藝成為解決復合材料高效高質量制孔加工的核心技術。
本課題組長期致力于復合材料專用刀具設計，先進刀具材料和涂層在復材制孔中的應用研究。本文綜述了纖維增強復合材料制孔過程中，不同刀具材料和涂層對復材制孔刀具壽命的影響，分析了不同刀具結構在復材制孔中的切削性能和制孔質量，為纖維增強復合材料專用制孔刀具的設計和制造研究提供了發展方向。
制孔刀具材料和涂層
1 制孔刀具材料
由于纖維增強復合材料是典型的難加工材料，因此復材加工刀具材料必須具有良好的抗磨損性能。大量試驗研究表明，鉆削纖維增強復合材料時，刀具后刀面磨粒磨損是刀具最主要的磨損形式。刀具磨損后，在制孔過程中鉆削軸向力增大，鉆削溫度快速上升，導致復材分層，纖維抽出等制孔缺陷的出現，影響加工質量。因此，目前用于復材制孔的刀具材料以硬質合金、聚晶金剛石（Polycrystalline diamond，PCD）為主。硬質合金制孔刀具可以通過刃磨形成各種幾何結構，有利于控制切削力分布，減小軸向力，加大鉆削扭矩，防止分層并快速切斷纖維，但是硬質合金刀具的抗磨損性能在復材制孔的過程中仍然不足，刃口磨損鈍化將造成制孔質量下降，因此如何保持硬質合金刃口的鋒利度成為制約其應用的主要因素。如圖1所示PCD刀具，通過與硬質合金整體燒結后，再進行刃磨，可獲得非常鋒利的刃口，同時具有非常低的表面摩擦系數以及超高的硬度和強度，在制孔過程中可以很好地切斷纖維，獲得良好的制孔質量，而刀具壽命取決于工藝參數和加工過程，這是因為PCD刀具抗沖擊性能較差，容易產生崩刃。另外，PCD刀具價格遠高于硬質合金刀具，其使用成本和性價比也需要進一步評估。因此，硬質合金材料目前依然是應用最為廣泛的制孔刀具材料。
2 刀具涂層的選擇及其對制孔過程的影響
為了改善硬質合金刀具的耐磨性，可以在刀具表面添加涂層。隨著涂層技術的發展，目前80%以上的刀具均為涂層刀具，不同涂層材料和結構在加工過程中所發揮的作用不同。化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）金剛石薄膜具有接近天然金剛石的硬度、高的彈性模量、極高的熱導率、良好的自潤滑性和化學穩定性等優異性能，非常適合用于纖維增強復合材料的加工。金剛石涂層可以大幅提高硬質合金制孔刀具的抗磨損性能，其極低的摩擦系數也使加工過程中的摩擦力減小，摩擦溫度降低。而金剛石涂層硬質合金刀具綜合了硬質合金材料和PCD材料的優點，在大幅提升抗磨損性能的同時保持了硬質合金刀具抗沖擊性能的優點，而在刀具生產制造成本上又遠低于PCD刀具，已成為專用復材制孔刀具最具潛力的刀具材料形式。
本課題組長期致力于微、納米金剛石涂層技術的應用研究，目前已針對纖維增強復合材料開發了梯度納米金剛石涂層，并與優化刀具結構相結合，形成專用復合材料制孔刀具。經過試驗驗證，采用納米金剛石涂層硬質合金鉆頭鉆削時軸向力比無涂層硬質合金鉆頭減小30%。因此，采用金剛石涂層鉆頭有利于減少復材制孔過程中分層等損傷，增強了刀具的抗磨損性能，大大增加了硬質合金鉆頭的使用壽命。
復材專用制孔刀具幾何結構
FRP由于其特有的機械性能和物理性能，其制孔刀具和一般金屬制孔刀具在幾何結構上有很大改進。為了改善復材制孔的質量和效率，一系列專用的FRP制孔刀具得到了開發和應用，如八面鉆（Eight-facet drill bits）、雙導向階梯鉆（Double-margin piloted step drill bits）、匕首鉆（Dragger drill bits）、燭芯鉆（Candle stick drill bits）等。
在FRP鉆削加工中，影響鉆頭加工性能的主要幾何參數有：橫刃長度、gash前角、后角、鉆尖形貌和螺旋角等。在所有幾何參數中，橫刃和鉆尖角對鉆削軸向力的影響最大，而鉆削軸向力的增大將直接導致鉆削分層的發生。在鉆削過程中，保持其他加工參數不變，橫刃越長鉆削軸向力越大。這是因為：在橫刃區，切削刃負前角很大而切削速度卻很小，使得橫刃在鉆削時會對復合材料產生較大的擠壓作用。研究表明，鉆削過程中有60%的鉆削軸向力來自橫刃。當鉆削軸向力超出復合材料出口層間結合強度時，就會發生出口分層。相對于較鈍的鉆尖，鋒利的鉆尖可以在很小的面積上鉆穿最后一層復合材料。Gaitonde等通過在低速和高速鉆削CFRP發現，當鉆尖角增大時，分層系數Fd（描述復合材料層間分層大小的指標）也隨之增大。
另外，剝離現象常發生在鉆頭鉆入復合材料時。在鉆頭的切削刃接觸到復合材料層壓板時，鉆頭切削刃會對入口處的復合材料作用一個軸向拉力，使得入口處的上層材料與受軸向推力的未切削層材料發生分離，從而形成入口剝離現象。這種入口剝離缺陷會隨鉆頭實際前角的增大而增加。為了減小或消除這種入口剝離缺陷，通常采用較小的鉆頭前角，一般推薦選用小于6°的前角。
若鉆削軸向力能夠沿圓周分布，那么出口部位的分層現象將會得到很大的改善。鋸鉆（Saw drill bits）、燭芯鉆（Candle stick drill bits）、套料鉆（Core drill bits）和階梯鉆（Step drill bits）等專用鉆頭都符合這一特性，與傳統麻花鉆相比，采用專用鉆頭能獲得更小的臨界推力值（復合材料不發生分層所需的最小鉆削軸向力值）。這些專用鉆頭的優點在理論與實際應用中都已得到了驗證，其鉆削軸向力會向鉆頭圓周分散而不是集中在中心，在不引起分層的情況下可以采用更高的進給速率。
鋸鉆利用向外圍分配推力的方法進行復合材料層壓板制孔。當分層尺寸在鉆頭半徑范圍內時不需要予以關注，因為分層部位處的材料最終會被鉆除掉。當分層尺寸超出鉆頭半徑范圍時，由于鋸鉆在材料上施加的圓周力，它與施加集中力的麻花鉆相比，能夠保證不引起分層的情況下獲得更大的鉆削軸向力。
燭芯鉆加工時的鉆削軸向力可以分解為一個集中的載荷與外圍的圓周載荷之和。由于大部分推力載荷分布在鉆頭外圍，因此此類鉆頭在分層開始時可允許更大的臨界推力值。燭芯鉆可以看作是介于麻花鉆與鋸鉆的中間類型，但燭芯鉆的橫刃比麻花鉆的橫刃要短得多，因此它可以從很小的面積上鉆穿最后一層復合材料。這樣最后一層復合材料所受到的彎曲力較小，從而保證了更好的孔加工質量。
套料鉆加工時鉆削軸向力均勻地分布在一個環形區域，而不是集中在中心。這樣在分層開始時可以獲得較大的臨界推力值。在套料鉆的刀具參數中，金剛石磨粒的粒度是影響其鉆削軸向力的最重要因素，而鉆尖厚度的影響相對較小。
階梯鉆可以認為是主階梯和次階梯復合而成。主階梯部分減小了對中心材料的去除，特別是抵消了橫刃對推力的影響。
研究表明，當進給量小于0.010mm/rev時，采用燭芯鉆可以獲得更小的鉆削軸向力；而階梯鉆則能在進給量大于0.010mm/rev時獲得更小的鉆削軸向力。相比于燭芯鉆和階梯鉆，套料鉆和鋸鉆的鉆削軸向力依次增大，而麻花鉆相比于其他4種類型的鉆頭鉆削軸向力明顯偏大。
結束語
纖維增強復合材料將（FRP）是21世紀應用最為廣泛的材料之一，其高效高質量加工仍然需要不斷研發新型專用刀具和改善加工工藝來實現。專用FRP制孔刀具的設計、制造，刀具材料和涂層匹配，加工工藝優化是FRP加工的關鍵技術。本文通過對研究成果的總結，指出金剛石涂層硬質合金刀具在FRP制孔過程中的良好性能，從鉆削軸向力、分層損傷等因素對多種形式的鉆頭進行了對比分析，為專用FRP制孔刀具進一步研發指明了方向。
由于FRP是由質軟而粘性大的基體材料和強度高、硬度大的纖維增強材料混合而成的二相或多相結構材料，其各向異性、低熱傳導率、低層間結合強度使其成為典型的難加工材料[5]。因此，在FRP制孔過程中，除傳統金屬材料制孔缺陷（尺寸誤差、圓度誤差、位置誤差和垂直度誤差等）外，還表現為分層、出入口撕裂與毛刺、孔壁表面纖維拔出等。由于纖維硬度高，刀具在切削時極易受到基體中硬質點的刻劃而產生磨損，并且由于切削熱在切削刃附近積聚，使刀具磨損加劇。在飛機制造領域的最終裝配環節，由鉆削分層缺陷導致的復合材料疊層零件報廢的比例高達60%。研究表明，復材鉆削分層和刀具磨損已成為纖維增強復合材料鉆削加工中最具挑戰性的兩大難題。隨著刀具制造技術的快速發展，優化的刀具結構設計、先進刀具材料和涂層技術成為解決針對上述問題的重要支撐。針對刀具快速磨損的問題，復材加工刀具需選擇耐磨性好的刀具材料和涂層來防止刀具快速磨損，延長刀具壽命。針對復材鉆削分層，可以通過優化刀具結構設計和優化加工工藝來控制分層缺陷。因此，先進刀具材料和涂層技術、優化的刀具結構設計和加工工藝成為解決復合材料高效高質量制孔加工的核心技術。
本課題組長期致力于復合材料專用刀具設計，先進刀具材料和涂層在復材制孔中的應用研究。本文綜述了纖維增強復合材料制孔過程中，不同刀具材料和涂層對復材制孔刀具壽命的影響，分析了不同刀具結構在復材制孔中的切削性能和制孔質量，為纖維增強復合材料專用制孔刀具的設計和制造研究提供了發展方向。
制孔刀具材料和涂層
1 制孔刀具材料
由于纖維增強復合材料是典型的難加工材料，因此復材加工刀具材料必須具有良好的抗磨損性能。大量試驗研究表明，鉆削纖維增強復合材料時，刀具后刀面磨粒磨損是刀具最主要的磨損形式。刀具磨損后，在制孔過程中鉆削軸向力增大，鉆削溫度快速上升，導致復材分層，纖維抽出等制孔缺陷的出現，影響加工質量。因此，目前用于復材制孔的刀具材料以硬質合金、聚晶金剛石（Polycrystalline diamond，PCD）為主。硬質合金制孔刀具可以通過刃磨形成各種幾何結構，有利于控制切削力分布，減小軸向力，加大鉆削扭矩，防止分層并快速切斷纖維，但是硬質合金刀具的抗磨損性能在復材制孔的過程中仍然不足，刃口磨損鈍化將造成制孔質量下降，因此如何保持硬質合金刃口的鋒利度成為制約其應用的主要因素。如圖1所示PCD刀具，通過與硬質合金整體燒結后，再進行刃磨，可獲得非常鋒利的刃口，同時具有非常低的表面摩擦系數以及超高的硬度和強度，在制孔過程中可以很好地切斷纖維，獲得良好的制孔質量，而刀具壽命取決于工藝參數和加工過程，這是因為PCD刀具抗沖擊性能較差，容易產生崩刃。另外，PCD刀具價格遠高于硬質合金刀具，其使用成本和性價比也需要進一步評估。因此，硬質合金材料目前依然是應用最為廣泛的制孔刀具材料。
2 刀具涂層的選擇及其對制孔過程的影響
為了改善硬質合金刀具的耐磨性，可以在刀具表面添加涂層。隨著涂層技術的發展，目前80%以上的刀具均為涂層刀具，不同涂層材料和結構在加工過程中所發揮的作用不同。化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）金剛石薄膜具有接近天然金剛石的硬度、高的彈性模量、極高的熱導率、良好的自潤滑性和化學穩定性等優異性能，非常適合用于纖維增強復合材料的加工。金剛石涂層可以大幅提高硬質合金制孔刀具的抗磨損性能，其極低的摩擦系數也使加工過程中的摩擦力減小，摩擦溫度降低。而金剛石涂層硬質合金刀具綜合了硬質合金材料和PCD材料的優點，在大幅提升抗磨損性能的同時保持了硬質合金刀具抗沖擊性能的優點，而在刀具生產制造成本上又遠低于PCD刀具，已成為專用復材制孔刀具最具潛力的刀具材料形式。
本課題組長期致力于微、納米金剛石涂層技術的應用研究，目前已針對纖維增強復合材料開發了梯度納米金剛石涂層，并與優化刀具結構相結合，形成專用復合材料制孔刀具。經過試驗驗證，采用納米金剛石涂層硬質合金鉆頭鉆削時軸向力比無涂層硬質合金鉆頭減小30%。因此，采用金剛石涂層鉆頭有利于減少復材制孔過程中分層等損傷，增強了刀具的抗磨損性能，大大增加了硬質合金鉆頭的使用壽命。
復材專用制孔刀具幾何結構
FRP由于其特有的機械性能和物理性能，其制孔刀具和一般金屬制孔刀具在幾何結構上有很大改進。為了改善復材制孔的質量和效率，一系列專用的FRP制孔刀具得到了開發和應用，如八面鉆（Eight-facet drill bits）、雙導向階梯鉆（Double-margin piloted step drill bits）、匕首鉆（Dragger drill bits）、燭芯鉆（Candle stick drill bits）等。
在FRP鉆削加工中，影響鉆頭加工性能的主要幾何參數有：橫刃長度、gash前角、后角、鉆尖形貌和螺旋角等。在所有幾何參數中，橫刃和鉆尖角對鉆削軸向力的影響最大，而鉆削軸向力的增大將直接導致鉆削分層的發生。在鉆削過程中，保持其他加工參數不變，橫刃越長鉆削軸向力越大。這是因為：在橫刃區，切削刃負前角很大而切削速度卻很小，使得橫刃在鉆削時會對復合材料產生較大的擠壓作用。研究表明，鉆削過程中有60%的鉆削軸向力來自橫刃。當鉆削軸向力超出復合材料出口層間結合強度時，就會發生出口分層。相對于較鈍的鉆尖，鋒利的鉆尖可以在很小的面積上鉆穿最后一層復合材料。Gaitonde等通過在低速和高速鉆削CFRP發現，當鉆尖角增大時，分層系數Fd（描述復合材料層間分層大小的指標）也隨之增大。
另外，剝離現象常發生在鉆頭鉆入復合材料時。在鉆頭的切削刃接觸到復合材料層壓板時，鉆頭切削刃會對入口處的復合材料作用一個軸向拉力，使得入口處的上層材料與受軸向推力的未切削層材料發生分離，從而形成入口剝離現象。這種入口剝離缺陷會隨鉆頭實際前角的增大而增加。為了減小或消除這種入口剝離缺陷，通常采用較小的鉆頭前角，一般推薦選用小于6°的前角。
若鉆削軸向力能夠沿圓周分布，那么出口部位的分層現象將會得到很大的改善。鋸鉆（Saw drill bits）、燭芯鉆（Candle stick drill bits）、套料鉆（Core drill bits）和階梯鉆（Step drill bits）等專用鉆頭都符合這一特性，與傳統麻花鉆相比，采用專用鉆頭能獲得更小的臨界推力值（復合材料不發生分層所需的最小鉆削軸向力值）。這些專用鉆頭的優點在理論與實際應用中都已得到了驗證，其鉆削軸向力會向鉆頭圓周分散而不是集中在中心，在不引起分層的情況下可以采用更高的進給速率。
鋸鉆利用向外圍分配推力的方法進行復合材料層壓板制孔。當分層尺寸在鉆頭半徑范圍內時不需要予以關注，因為分層部位處的材料最終會被鉆除掉。當分層尺寸超出鉆頭半徑范圍時，由于鋸鉆在材料上施加的圓周力，它與施加集中力的麻花鉆相比，能夠保證不引起分層的情況下獲得更大的鉆削軸向力。
燭芯鉆加工時的鉆削軸向力可以分解為一個集中的載荷與外圍的圓周載荷之和。由于大部分推力載荷分布在鉆頭外圍，因此此類鉆頭在分層開始時可允許更大的臨界推力值。燭芯鉆可以看作是介于麻花鉆與鋸鉆的中間類型，但燭芯鉆的橫刃比麻花鉆的橫刃要短得多，因此它可以從很小的面積上鉆穿最后一層復合材料。這樣最后一層復合材料所受到的彎曲力較小，從而保證了更好的孔加工質量。
套料鉆加工時鉆削軸向力均勻地分布在一個環形區域，而不是集中在中心。這樣在分層開始時可以獲得較大的臨界推力值。在套料鉆的刀具參數中，金剛石磨粒的粒度是影響其鉆削軸向力的最重要因素，而鉆尖厚度的影響相對較小。
階梯鉆可以認為是主階梯和次階梯復合而成。主階梯部分減小了對中心材料的去除，特別是抵消了橫刃對推力的影響。
研究表明，當進給量小于0.010mm/rev時，采用燭芯鉆可以獲得更小的鉆削軸向力；而階梯鉆則能在進給量大于0.010mm/rev時獲得更小的鉆削軸向力。相比于燭芯鉆和階梯鉆，套料鉆和鋸鉆的鉆削軸向力依次增大，而麻花鉆相比于其他4種類型的鉆頭鉆削軸向力明顯偏大。
結束語
纖維增強復合材料將（FRP）是21世紀應用最為廣泛的材料之一，其高效高質量加工仍然需要不斷研發新型專用刀具和改善加工工藝來實現。專用FRP制孔刀具的設計、制造，刀具材料和涂層匹配，加工工藝優化是FRP加工的關鍵技術。本文通過對研究成果的總結，指出金剛石涂層硬質合金刀具在FRP制孔過程中的良好性能，從鉆削軸向力、分層損傷等因素對多種形式的鉆頭進行了對比分析，為專用FRP制孔刀具進一步研發指明了方向。
