随着科学技术的迅速发展,出现了一些诸如SiC颗粒或纤维增强铝基复合材料、高硅铝合金以及陶瓷等非铁类难加工材料。非铁类难加工材料由于具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀等优良性能,使其在航空航天、汽车、制造等领域应用日益广泛。相应对其切削加工质量和效率都提出了更高的要求。但这类材料都存在切削加工困难,刀具磨损大的问题。对钻削加工而言这一问题更为严重。金刚石刀具具有高硬度和高耐磨性等诸多优异性能,在车削、铣削加工中得到了很好的应用,但在钻削加工中研究不多。因此对金刚石钻头进行设计研究十分必要且意义重大。本文在对复合材料切削加工研究现状及金刚石钻头进行综述分析的基础上,对适用于非铁类难加工材料高效精密钻削的金刚石钻头的设计制造问题及切削性能进行了研究。本文依据SiCp/Al复合材料的切削加工特别是钻削加工特点及金刚石刀具的性能特点对金刚石钻头进行了整体的设计构思,对直径不大于10mm的金刚石钻头拟采用焊接式结构;大于10mm的采用机夹式结构。其中主要对焊接式金刚石钻头进行了分析研究。首先应用Pro/E建立了金刚石钻头的三维模型,并依据钻头刃磨的方式建立了两种刃磨模型,即平面刃磨和锥面刃磨模型,得到了两种不同后刀面形状的金刚石钻头。应用ABAQUS有限元分析软件对PCD刀片抗压强度进行分析,研究了不同后刀面形状、后角、顶角对刀片抗压强度的影响,并绘制出相关曲线,得到了刀片能承受的最大轴向切削力值。研究结果表明:当轴向切削力增加到2400N时,刀片承受压的应力值达到其最大抗压强度并开始出现破坏;相同轴向切削力作用下,平面刃磨PCD刀片受到的压应力值较小,即抗压强度更好;此外随着后角的增加,PCD刀片受到的压应力增大,其中平面刃磨的刀片受到的压应力值增幅明显,圆锥面刃磨的刀片受到的压应力增大趋势则较为平缓。同时还通过计算得到了钻头顶角对其抗压强度的影响,顶角较大时PCD刀片的抗压强度更好。论文第二章对不同排屑沟槽及不同径向截形螺旋槽的金刚石钻头的抗扭刚度进行了分析研究。建立直槽排屑和螺旋槽排屑两种不同排屑沟槽的金刚石钻头的三维模型,并通过有限元计算得到钻头的扭转角度,得到直槽金刚石钻头较螺旋槽金刚石钻头的抗扭转能力更好,一段圆弧式截形的金刚石钻头抗扭刚度比传统截形强的结论。此外通过改变金刚石钻头结构设计参数,模拟钻削过程中钻头受力情况进行分析,对比研究了钻芯厚度、螺旋角度、螺旋槽长度对金刚石钻头刚度强度的影响。其中随着钻芯厚度增加,金刚石钻头的径向位移、轴向位移和角位移均减小了,说明钻芯厚度越大,钻头的刚度越好。但是钻芯厚度过大会减少钻头的容屑空间,增加排屑难度,大量切屑堆积在钻头排屑槽内会加剧钻头的磨损降低钻头的使用寿命和加工质量;另外钻芯厚度的增加意味着横刃长度也增加了,这样会导致横刃切削条件变差,特别是金刚石钻头,其PCD刀片具有硬脆性,若横刃过长,会导致轴向力的增大,增加了刀片在钻削中的破坏概率,因此金刚石钻头不宜过度增加钻芯厚度。螺旋角增大时钻头的最大角位移增加,扭转刚度下降。而金刚石钻头前角为零度,螺旋角对切削刃并无影响,大的螺旋角更有利于切屑的排出,可减少因为切屑积存于排屑槽内导致钻头失效的可能性。但螺旋角过大,则会增长排屑路程和排屑阻力。若排屑不顺畅,切屑也会堆积在排屑槽内,还会导致散热条件变差,金刚石钻头的PCD刀片在高温下容易被石墨化;另外金刚石刀具在加工中产生的切削力较小,因此认为金刚石钻头螺旋角在排屑顺畅的情况下可选择稍大的螺旋角。钻头螺旋槽长度的增加会导致钻头的扭转刚度下降。分析还得到了钻削加工中钻头应力分布的情况。结果表明横刃、螺旋槽根部及切削刃处有应力集中,是钻头最容易损坏的部位。钻削加工是切削加工中最复杂、应用最广泛的加工过程之一。由于钻头几何形状的特殊性使得其加工过程复杂,加工过程中如果加工参数选择不当,会造成钻削力过大、刀具使用寿命短、过程中产生振颤以及钻头折断等结果。论文第三章通过大型有限元软件ABAQUS建立金刚石钻头钻削SiCp/Al复合材料的数学模型,并利用该模型对钻削加工中的钻削力进行模拟仿真,预测了加工过程中金刚石钻头所受的轴向力和扭矩以及工件的应力分布,分析比较了不同切削参数下金刚石钻头所受轴向力和扭矩的变化趋势,为后续性能实验提供参考。仿真得到不同切削参数下的切削力值,并绘制出切削力与切削参数之间的关系曲线,观察研究得到钻削轴向力和扭矩随进给量的增加都增大了,随切削速度的增加对轴向力和扭矩变化较小的结论。论文第四章通过金刚石钻头钻削SiCp/Al复合材料的钻削实验研究,探讨了钻削速度和进给量对钻削力、表面粗糙度的影响规律;通过钻削实验研究了金刚石钻头钻削SiCp/Al复合材料时金刚石钻头的磨损、破损机理及形式。得出以下结论:首先,进给量是钻削过程中影响轴向力大小的关键因素,随着进给量的增加轴向力增大,刀具磨损加快,同时机床振动也明显增加;切削速度对轴向力影响较小,切削力的变化趋势与仿真模拟结果一致。其次,金刚石钻头钻削SiCp/Al复合材料时主要存在磨损和破损。其中磨损包括有前刀面的磨损、后刀面的磨损及横刃的磨损,磨损的机理包括磨料磨损、黏结磨损、扩散磨损、化学磨损等;破损包含有刃口的微崩、剥落和钻头的折断等。分析了金刚石钻头和高速钢钻头钻削SiCp/Al复合材料时后刀面磨损VB值与钻孔个数之间的关系。高速钢钻头加工一个孔后磨损就十分严重,根本不适合用来加工实验中的SiCp/Al复合材料,而金刚石钻头是钻削SiCp/Al复合材料的理想刀具,但必须在有冷却液强力冲击排屑作用下进行切削。最后还讨论了切削参数对孔的轴向粗糙度的影响,其中进给量对表面粗糙度的高低起着关键作用,进给量增大时,表面粗糙度也增大,反之亦然。钻削速度对表面粗糙度Ra影响不大,但是当速度过高时,由于切削振动等原因,表面粗糙度会有所上升。