复合材料钻削研究的现状与发展趋势
摘要：总结了钻头及钻削研究的主要领域和关键技术问题，回顾了近十几年来对于钻削过程和钻削质量的研究，论述了复合材料钻削研究的发展趋势。
Abstract： This paper summarized the main areas and technologist issues of drills and drilling process， reviewed the drilling and drilling quality in recent years， and discussed the future trends of related research.
关键词： 钻头；高速钻削；钻削过程；钻削质量
Key words： drill；high speed drilling；the drilling process；the quality
中图分类号：V25 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）02-0242-02
0 引言
复合材料（Composite）是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。碳纤维复合材料（Carbon Fibre Composite）是以碳纤维为增强材料的复合材料，它具有比强度高、比刚度高，抗疲劳性能好等优点，因而被应用于航空航天、汽车等各个领域[1]。
由于复合材料的不均质和各向异性，导致对其进行钻削加工时原理与金属大为不同，在钻削复合材料时由于材料的特性，不会像金属材料一样形成带状切屑，并且钻孔的出入口和孔壁的质量也不能很好的保证，由于这些原因，加大了对复合材料钻削力测试研究的难度。近年来，国内不少科研人员致力于对钻削过程的研究工作。
1 研究的主要领域和技术问题
从上个世纪九十年代开始，人们逐渐认识到对于高速钻削的意义，开始多以碳纤维增强复合材料为研究对象，对复合材料钻削进行了以下几个方面的研究。
①钻头数学模型和几何设计研究。通过对钻头的结构包括螺旋沟槽，后刀面，主刃和横刃的数学建模，分析其在加工过程中的动态参数与特性，最终得到钻头几何参数与其对材料进行加工的性能指标。
②钻头刃磨制作方向研究。包括钻头刃磨精度的控制，钻头几何参数的设计，钻头刃磨工具的设计和如何开发批量生产的软件与硬件设备。
③钻削过程与其质量的研究。钻头钻削过程中，对钻削质量起到影响的各种因素监控并分析其原因，使得其在尽可能的范围内得到充分的控制最终使得钻削质量得到改进与提高。
④钻削过程的自动化监控。通过建立钻削过程的数学模型，设计自动化检测的软硬件系统，通过计算机实时、方便、快速、准确地得到钻削过程的数据，充分得到钻削过程的动态数据变化，并使之形象化。
⑤各种专用、特殊高性能钻头的研究。对于不同材料的加工难易设计不同指标几何参数的钻头，使之能更顺利、快速对所适应材料进行准确的加工。
而其中，如何对钻削过程的动态指标进行自动化监控并通过得到参数对钻削过程的分析指导着钻头几何参数的设计和刃磨制作的改良等研究。
2 钻削过程与钻削质量的研究
在国内，北京航空航天大学、大连理工大学、浙江大学等知名大学从上世纪九十年代开始便开展这方面的研究，张厚江等人最早对碳纤维复合材料钻削加工技术进行了一系列的研究工作，为了对工艺参数进行研究，研制了高速钻床，通过高速钻削试验的研究，提出高速钻削复合材料研究的新方向[2-3]。
2000年，西安理工大学的肖继明等人结合低频轴向振动钻削，系统地分析研究了麻花钻工作角度对钻削效果影响的变化规律，总结出了各切削刃工作角度的理论计算公式，为改善切削条件，以及提高切削性能提供了重要的理论依据[4]。
2005年长春工程学院的于雷等人对以钻削力为研究对象的微孔钻削实时监控系统进行了研究，利用建立的BP网络模型对钻削过程进行监测，可以预报钻削状态，适时报警换刀，对于如何避免微钻头的折断奠定了基础[5]。同年，华南理工大学的孙路华等人通过碳纤维/环氧树脂基复合材料对高速钻削条件下的刀具、钻速、进给量、钻孔个数、材料厚度等钻削参数对轴向力的影响进行了全面系统的研究，总结出了高速钻削过程中钻速对钻削力影响的规律[6]。
2008年北方工业大学的刘东和北京航空航天大学的陈志同等人利用DMU 60P hi-dyn 立式加工中心研究了高速钻削情况下的钻削参数对钻削力和扭矩的影响规律，对试验的结果进行了回归处理后，得出了硬质合金刀具高速钻削碳纤维复合材料的经验公式，即碳纤维复合材料钻削过程中钻削力近似满足指数关系[7]。
为了探讨钎焊金刚石套料钻加工碳纤维复合材料的适用性。2011年，南京航空航天大学的贺虎等人以碳纤维复合材料为研究对象，使用钎焊金刚石套料钻和硬质合金麻花钻进行钻削加工试验，对比得出钎焊金刚石套料钻具有更好的加工效率和更强的耐磨性的结论[8]。
针对碳纤维复合材料切削加工过程中，经常会出现分层、劈裂等质量问题。2013年南京电子技术研究所的李健，江秋斐从分析碳纤维复合材料切削加工工艺特性入手，利用不同的工艺参数和加工技巧，进行了一系列的试验，提出了一些适合实际操作的工艺技巧，并通过对比确定了最优的钻削方法。该方法被广泛应用于产品中，成功改善了碳纤维复合材料的钻削质量[9]。
为了探究碳纤维复合材料钻削轴向力随削用量的变化规律，有效控制加工缺陷的产生。2013年，清华大学的任书楠等人从分析碳纤维复合材料的铺层结构出发，研究了切除过程和切削力分布，采用T700/6421碳纤维复合材料样件进行钻削实验，应用并完善了多层材料切削模型，建立了钻削过程中主切削力的宏观轴向力与用量的关系模型[10]。
以上国内的研究结果，对以后研究复合材料钻削加工过程有一定的指导作用，并且有助于分析几何参数的钻头和不同工艺参数钻削加工复合材料的特点。
3 研究发展趋势
①钻头几何设计与加工方法，依旧是研究的重点课题。钻削的过程中包含很多的影响因素包括钻头几何形状、误差、材料因素、切削时的环境温度、工件的材料等。因此通过进行准确的建模以及对于钻削过程实时的监控软件的开发能够更直接地用于指导钻头设计、制造以及加工方法的设计。并且能够使得加工钻头所用的车床、工具以及各种有关的生产设备和方法得到改良。
②钻削过程的机理，过程的预测与仿真。随着对于钻头设计越来越复杂，其发展必然依托于对钻头进行钻削过程的机理研究。通过对其机理的研究并通过数学模型有针对性的帮助分析，便可得到钻头各几何参数对被加工材料加工过程的影响，通过大量实验得到实测数据后加以验证，便可对钻削效果具有一定预测能力也就具备了仿真的特点，就能够使得有关实验有目的的进行，辅助对钻头的设计工作。
③对刀具寿命的改良。如何能够更加经济的进行生产工作，注定与如何节省成本扩大利润与加大竞争力挂钩，为此在钻削加工中，延长刀具加工寿命在节约成本与增长刀具监察、维修和更换周期扮演着十分重要的角色。因此，通过对刀具进行合理的设计、加工和制定最佳的使用方法说明来延长刀具使用的寿命。
4 结束语
综上所述，对复合材料钻削研究，对于钻削加工有着适应当代发展的意义，如何能够适应新材料的出现，提高钻削的质量仍是关于钻削研究的终极课题，通过计算机仿真全面展示钻削过程以及机理将是有力的手段，我们应该充分发挥已有优势，不断完善，最终获得更大的突破。
参考文献：
[l]朱永茂，刘勇，殷荣忠，等.酚醛树脂及其复合材料发展动向[J].玻璃纤维，2005（3）：35-43.
[2]张厚江，樊锐，陈五一，陈鼎昌.复合材料高速钻削试验台的研制[J].新工艺·新技术·新设备，1998（5）：26-27.
[3]张厚江，樊锐，陈五一，陈鼎昌.高速钻削碳纤维复合材料钻削力的研究[J].航空制造技术，2006（12）：76-82.
[4]肖继明等.振动钻削是麻花钻的刀具角度分析[J].西安理工大学学报，2001，17（2）：185-189.
[5]于雷，闫旭涛.微孔钻削加工的钻削力监控[J].机械设计与制造，2005（10）：153-154.
[6]孙路华，全燕鸣，钟文旺.碳纤维复合材料高速钻削力的研究[J].纤维复合材料，2005（4）：30-38.
[7]刘东，陈志同，陈五一等.碳纤维复合材料高速钻削实验研究[J].工具技术，2009，43（7）：10-13.
[8]贺虎，等.碳纤维复合材料钻削加工对比试验[J].航空制造技术，2011（14）：52-54.
[9]李建，江秋斐.碳纤维复合材料钻削试验研究[J].电子机械工程，2013，29（4）：52-54.
[10]任书楠，吴丹，陈恳.钻削碳纤维增强型复合材料的主切削刃轴向力[J].清华大学学报（自然科学版），2013，53（4）：487-492.