碳纤维增强复合材料(CFRP)具有极高的强度重量比，并且在极端条件下具有稳定的材料属性，因此在全球航天航空行业内有着广泛的应用。因为碳纤维材料和金属材料的机械性能有极大的差别，在对紧固孔进行有效的钻孔加工时，需要使用具有高耐磨性和优化槽型的切削刀具产品。

在加工航天航空行业内的零配件时，多晶金刚石(PCD)刀具要比传统的碳化钨硬质合金刀具有更高的加工效率。一些领先的刀具制造商正在开发并生产PCD钎焊钻头产品。这些刀具产品的切削刃采用PCD材料，钻体部分为整体硬质合金材料。硬质合金钻体有很好的刚性和尺寸精度，确保钻孔的加工质量，同时具有内部螺旋冷却通道，螺旋式排屑槽可以提高冷却性能和排屑性能，这些特性对钻孔加工是非常必要的。位于功能区的切削刃部分采用PCD材料，具有极好的耐磨性，提高加工效率。

刀具开发过程

为了开发一款高性能的PCD刀具产品，应当在考虑综合因素的情况下进行深入的研究。这种开发过程不仅决定了刀具的性能，还对刀具的加工效率和成本起到了重要的影响作用。在生产用于复合材料加工的合成金刚石钻头产品时，有4种主要技术可以应用：

(1)CVD(化学气相淀积)金刚石涂层钻头

整体硬质合金钻在最后一个工艺经过CVD金刚石涂层处理。这是一种成本效益很好的产品，但刃口锐度受到了涂层厚度的影响。此外，因为硬质合金基体部分和金刚石涂层部分的硬度不同，这款产品吸收冲击能量的性能不佳。防崩刃性能也很有限。

(2)PCD镶刃钻头

圆锥型的PCD材料按照特点钻尖槽型烧结至较小尺寸的硬质合金基体之上。然后，将这些半成品钎焊至整体硬质合金钻体之上。为了处理硬质合金和PCD联接面之间的高应力问题，这款PCD产品在PCD材质优化方面受到了限制。后烧结工艺还会导致成本高昂，因为需要去除非功能区的金刚石材料，还要增加内部冷却孔。

(3)PCD纹络钻头

在整体硬质合金棒料之上预先加工的槽内填入PCD粉末原料，然后经过高温、高压处理形成PCD排列结构。在经过高温、高压过程之后，对棒料进行剪切后钎焊至钻体之上，最后按照规定槽型进行磨削处理。这种PCD纹络技术可以制造复杂槽型，以及具有高正前角外形的刀具产品;与PCD镶刃刀具产品相比，只需较少的磨削处理。这种刀具受到尺寸限制，因为要对复杂3D槽型进行高温、高压处理。此外，因通常需要使用高钴成分的材料，因此也降低了PCD材料的硬度和耐磨性。

(4)PCD钎焊钻头

最成熟的PCD钻头加工技术为2D技术，对于较小尺寸刀具，可以使用一种特殊的硬质合金和PCD夹层材料;对于较大尺寸刀具，可以使用纯PCD钻尖材料。这款产品在槽型方面有严重的缺陷，因为很难增加一个用于复合材料加工的前角。3D钎焊需要多个所需材质的PCD刀座，并且微观结构应按照设计切割为螺旋形状。在整体硬质合金钻头上应磨削出一个对应的螺旋槽，以安装PCD刀片。与PCD镶刃产品相比，这款3D钎焊产品只在功能区采用PCD材料，大大增加了加工性能。这项3D钎焊技术被用于开发本文所述的PCD测试钻头。

图1 一款PCD刀具加工钻孔数与尺径的对比

优化的刀具槽型

在对复合材料/钛材料层叠板进行钻孔加工时，选择优化的刀具槽型非常困难，因为这两种材料在切削过程中表现出不同的特性。CFRP材料的钻孔加工通常需要大螺旋角和长切削刃，因为碳纤维应当沿着切削刃发生剪切作用。长切削刃通过小钻尖角而实现。此外，CFRP材料的钻孔加工还应降低轴向力，以避免在退刀时发生加工材料层裂现象。这些特点可以形成非常锋利的切削刃槽型，同时也减小楔块角度。后角可以高达20º，螺旋角约为30º。钛材料的切削原则上也可使用锋利的切削刃，但与CFRP材料的钻孔加工相比，需要一个更加稳定的楔块角。钛材料加工中的刀具后角通常在8º~14º之间的范围。与钢材料加工相比，这些后角通常更大，因为后刀面上的热量应当尽可能降低，以减少刀侧面磨耗的形成。大后角与典型的30°螺旋角结合应用时，会明显降低切削刃的强度。螺旋角已减小至15º~20º范围，从而可对大后角做出平衡。

为了实现孔径紧密公差，钻尖应当具备卓越的自定中心性能，这一点是绝对必要的。从另一个角度而言，钻尖角度对毛刺的形成也起到重要的影响。钻尖角在低90º或高于150º时，可以帮助降低钻孔出口处的毛刺高度。因此，钻尖角为155º的钻头适合钛材料加工的需求，但定中心性能不好。所以，推荐使用双钻尖角设计方案，其中内部钻尖角为130º，外部钻尖角为155º。与普通应用的长切削刃钻头相比，这款钻头产品的整体钻尖高度较低。因此，第三条和第四条刃带可以很快接触材料，有益于形成更紧密的孔径公差。

在对CFRP/钛层叠钣材料进行加工时，可以通过密封的内部冷却通道进行微量润滑(MQL)，在促进润滑的同时还可以降低在钛材料加工中形成的高热，因为这种材料的热传导率较低。在使用PCD刀具进行钻孔加工时，微量润滑是绝对必要的;否则切削刃部位形成的高热会导致石墨化，或相应形成碳化钛。这种反应会形成排屑槽部位出现化学磨耗，最终会导致排屑槽内的PCD材料崩裂。

图2 因刀具磨耗导致的毛刺高度发展过程与钻孔数的对比情况

实验性研究

这款开发的PCD刀具产品经过了实验性测试，目的在于评估在规定应用中最合适的PCD材质和刀具槽型。测试过程中的刀具设置和切削参数如下：

(1)测试刀具：PCD钎焊钻头，直径为11.113 mm，三种不同的PCD材质(G4、KD1415和KD1425)，未经涂层处理相同槽型的钻头。

(2)测试材料：包括一块厚度为8.7 mm的购置CFRP钣材(Isocarbon 3k)，并与一块厚度为10.8 mm的Ti-6Al-4V钣材牢固地层叠在一起，使用测试刀具进行通孔加工，从CFRP侧进刀，从钛板侧出刀。

(3)机床刀具及冷却剂：一台CNC加工中心(Heckert CWK 400)，水平主轴，主轴贯通式微量润滑方式(Vascomill MMS FA2)。

(4)切削参数：切削速度为20 m/min(65 SFM)，进给率为0.05 mm/r，同时适用于CFRP和钛材料加工，不使用啄钻加工法。

(5)刀具检测：为了监控刀具磨损过程，在完成4个孔的钻孔加工后，使用显微镜对钻头进行检测。在完成24个孔的钻孔加工后，在扫描电子显微镜下观察刀具的磨耗结构。

(6)钻孔测量：在完成所有加工测试后，对测试材料进行清洗和标注。对所有钻孔进行检测。对4个孔的内部进行直径测量。同时，还对钛钣材底部出口孔表面的毛刺高度进行测量。

测试表明，PCD钻头在使用寿命即将结束时的主要失效模式是钻尖出现崩刃;硬质合金钻的失效模式表现为毛刺高度超限。在这次测试中，所有钻孔都符合钻孔质量要求。

钻孔尺寸

图1所示为测试PCD刀具的钻孔加工尺寸。在对每个钻孔检测时，孔径的测量位置选择在4个不同的位置;两个在CFRP钣材部位，两个在钛钣材部位;分别对应在钻孔进口表面和出口表面。

可以看出，位于钛钣材部位的钻孔质量非常好，尺寸在规定公差值的中间范围，上下浮动范围很小，为10 μm。钛钣材钻孔入口处和出口处的尺寸非常接近。但在CFRP钣材部位，钻孔入口处和出口处的孔径差较大。这种现象是因为在排屑过程中，切屑对钻孔避刮擦造成的结果。对于减少切屑的刮擦，以及增加钻孔尺寸的一致性而言，提高切屑控制性能是非常必要的。仅依靠刀具设计而提高切屑控制性能是非常困难的。在加工实践中，一种成熟的工艺是增加啄钻操作，或是通过振动支持钻孔操作，以实现控制切屑长度并减弱切屑刮擦效果。

测试结果表明，在此展示的新型钻尖产品可以加工出H10公差等级的钻孔尺寸。在优化加工条件以及加工过程稳定的情况下，甚至可以实现H8公差等级的钻孔尺寸。不能证明钻孔质量与切削刃材料有必然关系。相同钻尖槽型的PCD钻头和硬质合金钻头的钻孔加工质量是相似的。

毛刺

在探讨与毛刺高度控制和磨损结构相关的钻孔结果时，可以清晰地看到不同切削刃材料产生的不同结果。图2所示为一款硬质合金刀具和两款PCD(KD1415和G4材质)刀具钻孔加工时毛刺高度的发展过程与钻孔数的对比情况。

可以看出，硬质合金钻仅完成14个钻孔加工之后，在钛钣材出口处的毛刺高度就明显增加;而两款PCD刀具在加工过程中，首次出现毛刺超过规定的钻孔分别是第57个钻孔和第117个钻孔。

从理论上讲，毛刺高度的发展过程与刀具钻尖部位的磨耗紧密相关。这一点可以在硬质合金刀具和PCD刀具的对比中显明，因为这两种材料的硬度有很大的不同;所以，PCD刀具钻尖处的磨耗发展过程较慢。与硬质合金钻相比，PCD钻的钻尖磨耗要少得多。这三种PCD材质的磨耗发展情况区别很小。PCD材质的主要磨耗类型为切削刃/钻尖部位的崩刃。

表中对这三种PCD测试材质的刀具寿命做了综合对比。可以看出，G4和KD1415材质在刀具平均寿命方面非常相似。KD1415在刀具使用寿命的稳定性方面表现更好，并且因为机械加工性能更好，可以减少制造成本。

结论

我们开发了三款采用不同PCD材质以及优化槽型的PCD整体硬质合金钎焊钻头产品，并对这些产品进行了测试。测试结论如下：

(1)在PCD刀具制造过程中，3D钎焊技术允许刀具采用灵活的螺旋角角度，因此也可以采用大前角设计方案。与PCD镶刃产品相比，3D钎焊产品因为去除了刀具功能区表面的PCD材料，所以具有更好的机械加工性能。

(2)这款开发的PCD钻产品采用优化的刀具槽型(双钻尖角度、螺旋槽、内部螺旋冷却通道、大前角)，因此可以加工高质量的钻孔(钻孔尺径及毛刺高度控制)。

(3)与未经涂层处理的整体硬质合金钻相比，PCD钻在使用寿命方面有显著的改善。

(4)所有测试PCD刀具有相同的磨损形态，从前刀面出现细微裂缝开始，最终会因钻尖崩刃导致突变性失效。

(5)在刀具寿命稳定性和机械加工性能方面，KD1415要比G4和KD1425材质有更佳的表现。所以，KD1415是最适合本文所述加工应用的材质。