碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制孔工藝

復(fù)合材料是典型的難加工材料，其制孔工藝復(fù)雜，對刀具和工藝參數(shù)的要求更高。因此，復(fù)合材料制孔工藝已成為復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵工藝之一。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）是以碳或石墨纖維為增強(qiáng)體的樹脂基復(fù)合材料。因其具有比強(qiáng)度、比剛度高，耐疲勞性能好及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，已發(fā)展成為繼鋁、鋼、鈦之后的第四大航空航天結(jié)構(gòu)材料之一。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在大飛機(jī)上的用量直線上升，歷年應(yīng)用情況見圖1。


圖1 大型客機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用情況

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在應(yīng)用過程中往往要與其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，連接是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空航天飛行器中60%~80%的破壞都發(fā)生在連接部位。連接中最常采用的機(jī)械連接需要先制孔。例如，一架波音747飛機(jī)有300多萬個(gè)連接孔，而美國最先進(jìn)的F-22戰(zhàn)斗機(jī)每副機(jī)翼要14000個(gè)精孔。復(fù)合材料是典型的難加工材料，其制孔工藝復(fù)雜，對刀具和工藝參數(shù)的要求更高。因此，復(fù)合材料制孔工藝已成為復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵工藝之一。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制孔缺陷

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由質(zhì)軟而粘性大的基體材料和強(qiáng)度高、硬度大的碳纖維增強(qiáng)材料混合而成的二相或多相結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能呈各向異性，層間強(qiáng)度低，切削時(shí)在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、劈裂等缺陷。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削加工中主要存在以下問題：

（1）材料硬度大，其硬度HRC值可達(dá)53~65，相當(dāng)于一般高速鋼的硬度，因而鉆孔時(shí)鉆頭磨損很快；

（2）層間強(qiáng)度低，在鉆孔過程中，易產(chǎn)生分層等缺陷；

（3）屬于各向異性材料，鉆孔處的應(yīng)力集中較大，極易引起劈裂等缺陷；

（4）熱導(dǎo)率小，線脹系數(shù)和彈性恢復(fù)大，鉆孔時(shí)，存在縮孔現(xiàn)象；

（5）切屑為粉塵狀，對人體健康危害大。

分層是碳纖維復(fù)合材料鉆孔的主要缺陷。分層缺陷的大小可以用分層因子（Fd）來表示。分層因子可以用以下公式表示：

Fd =D_max/D ，

其中，D_max表示最大損傷區(qū)域的直徑，D 表示孔的實(shí)際直徑，如圖2所示。


圖2 分層評價(jià)指標(biāo)

Hoeheng H等 通過試驗(yàn)分析得出：分層因子Fd 與平均軸向力Fz間存在著線性或分段線性關(guān)系：平均軸向力Fz越大，分層因子Fd越大，分層越嚴(yán)重。因此，可以通過平均軸向力的大小以及制孔質(zhì)量，來評判不同鉆削工藝的優(yōu)劣。

復(fù)合材料鉆削刀具

國外一些著名刀具生產(chǎn)廠商已經(jīng)開發(fā)研制出適合碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削加工的專用刀具。如瑞典的山特維克可樂滿公司已經(jīng)研制出適合高纖維CFRP鉆孔的專用刀具CoroDrill 854和適合高樹脂CFRP鉆孔的專用刀具CoroDrill 856，這2種刀具可加工最大直徑12.70mm的孔，壽命可以達(dá)到鉆650個(gè)孔（圖3）。 copyright 123456


圖3 山特維克可樂滿刀具


德國瓦爾特集團(tuán)開發(fā)的WalterTitex PCD 鉆頭（圖4）是適合多種CFRP復(fù)合材料加工的專用鉆頭，其孔徑加工范圍為2.0~6.4mm。該刀具能有效減小軸向力，從而減小復(fù)合材料的撕裂、分層和毛刺等缺陷，壽命可以達(dá)到鉆600個(gè)孔。另外，美國的肯納刀具針對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也研制了復(fù)合材料專用鉆頭SPF。


圖4 Walter Titex PCD

這些國外刀具雖然很好地提高了刀具壽命及鉆孔質(zhì)量，但刀具對機(jī)床設(shè)備的要求比較高，需要在數(shù)控加工中心上應(yīng)用，且價(jià)格昂貴，為同尺寸國產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具的10多倍。

我國目前還沒有鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的專用刀具。復(fù)合材料應(yīng)用部門目前主要采用YG類硬質(zhì)合金麻花鉆，如YG6X、YG8和Y330。這種刀具制造簡單，成本低，易于刃磨，對機(jī)床設(shè)備要求低。但使用壽命低，一般鉆削30~40個(gè)孔后，就需要進(jìn)行刃磨。為了提高刀具的使用壽命，一些刀具廠商對刀具進(jìn)行表面涂層處理，如氮鋁化鈦涂層和金剛石涂層。 內(nèi)容來自123456

試驗(yàn)內(nèi)容

鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，一般采用高轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給量。本試驗(yàn)采用高速臺鉆Z4006A，具有1370r/min、3700r/min、6900r/min、10000r/min 四級轉(zhuǎn)速，滿足鉆削時(shí)高轉(zhuǎn)速的要求。為了全面研究各類工藝參數(shù)對鉆削軸向力和制孔質(zhì)量的影響，作者對該鉆床進(jìn)行了改進(jìn)。在鉆床上加上步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)鉆床自動(dòng)進(jìn)給功能，進(jìn)給量可大范圍調(diào)整。圖5為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削軸向力測量平臺示意圖。


圖5 軸向力測量平臺示意圖


鉆頭鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)向下的軸向力，Kistler9257A測力儀將力信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)Kistler5019電荷放大器放大后，由數(shù)據(jù)采集器和專用測力軟件3010DEWE在計(jì)算機(jī)上形成動(dòng)態(tài)軸向力曲線圖，如圖6所示（主軸轉(zhuǎn)速n=6900r/min，進(jìn)給量f=0.01mm/r）。


圖6 動(dòng)態(tài)軸向力曲線圖

主要從刀具和鉆削參數(shù)2方面對復(fù)合材料的鉆削工藝進(jìn)行了研究。刀具包含刀具材質(zhì)和幾何參數(shù)；鉆削參數(shù)包含主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量。由于切削液對復(fù)合材料的性能有不良的影響，所以在鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，一般采用干切削的方法。

試驗(yàn)選用的刀具主要有YG8、Y330 和Y330（涂層），其中涂層為金剛石涂層。3種鉆頭鉆型均為標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆。鉆削材料為4.4mm 厚的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板，鋪層方向：[45/0/-45/90]3S。試驗(yàn)中，為消除鉆頭磨損的影響，除特別說明外，每支鉆頭只鉆一個(gè)孔，為防止出口劈裂，在鉆頭出口側(cè)墊聚氯乙烯硬塑料板。
結(jié)果及分析

1、刀具的影響

鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，刀具材質(zhì)、直徑和鉆型對鉆削軸向力和制孔質(zhì)量都有影響。

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1.1 刀具材質(zhì)的影響

圖7為直徑3.5mm 的YG8、Y330 和Y330（涂層）鉆頭在不同鉆削參數(shù)下鉆削碳纖維復(fù)合材料的軸向力曲線圖?？梢钥闯觯?種鉆頭鉆削的平均軸向力都隨著進(jìn)給量的增大呈現(xiàn)的增大趨勢。在相同的參數(shù)下，軸向力相差不大，這是因?yàn)? 種刀具同為YG類硬質(zhì)合金，性能相似。


圖7 刀具材質(zhì)對軸向力的影響

選取上述試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速6900r/min，進(jìn)給量0.01mm/r的3支鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)。在轉(zhuǎn)速6900r/min，進(jìn)給量0.01mm/r條件下，研究隨著鉆孔數(shù)量的增加軸向力的變化，結(jié)果如圖8所示（n=6900r/min，f=0.01mm/r）。


圖8 鉆孔個(gè)數(shù)對軸向力的影響

隨著鉆孔數(shù)的增加，3種鉆頭的軸向力逐漸增大。這是因?yàn)殡S著鉆孔數(shù)的增加，鉆頭磨損量增大，從而導(dǎo)致軸向力增大。比較有涂層的和無涂層的Y330鉆頭的鉆削前20個(gè)孔的平均軸向力，Y330（涂層）平均軸向力略大于Y330。這是因?yàn)椋和繉又?，刀具切削刃變鈍。但在鉆過一定孔數(shù)量（20孔）之后，Y330（涂層）平均軸向力小于Y330，說明涂層材質(zhì)很好的提高了刀具的耐磨性。 123456

圖9為鉆削一定數(shù)量孔后3種鉆頭的磨損情況。從圖中可以看出，鉆削60孔后，Y330鉆頭磨損比較嚴(yán)重，YG8磨損量相對小些，Y330（涂層）鉆頭雖然所鉆孔數(shù)比較多（80孔），但磨損最小。


圖9 不同材質(zhì)鉆頭磨損情況

試驗(yàn)中，YG8和Y330鉆頭鉆削40 多個(gè)無缺陷孔后，繼續(xù)鉆孔，由于切削刃變鈍，所鉆的孔產(chǎn)生起毛、翻邊缺陷。Y330（涂層）鉆頭可以鉆削80多個(gè)無缺陷的孔。

1.2 刀具直徑的影響

圖10為不同直徑的Y330（ 涂層）刀具在相同鉆削參數(shù)下，鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的平均軸向力曲線圖。


圖10 刀具直徑對軸向力的影響

從圖中可以看出：鉆削軸向力隨著刀具的直徑增大而增大。這是因?yàn)殡S著刀具直徑的增大，鉆頭切削刃切削面積增大，從而導(dǎo)致切削力增大。 123456

通過試驗(yàn)得出：硬質(zhì)合金麻花鉆一般適合鉆削直徑3.0~8.0mm 的孔；鉆削大于8.0mm 孔時(shí)，容易產(chǎn)生分層、剝層和劈裂等缺陷。對于大直徑孔（直徑大于8.0mm）的加工，可以采用燒結(jié)金剛石套料鉆和電鍍金剛石套料鉆，這種加工改變了加工方式，將鉆削加工變成了磨削加工，但排屑比較困難，且所制的孔質(zhì)量也不高。

大直徑孔切削力的增大是由于切削面積增大而引起的，減小切削面積，軸向力也會(huì)相應(yīng)的減小。因此，試驗(yàn)中采用鉆孔- 擴(kuò)孔加工方式，先用硬質(zhì)合金麻花鉆鉆初孔，然后采用擴(kuò)孔鉆進(jìn)行擴(kuò)孔，一次擴(kuò)孔量可以取2~6mm。

1.3 鉆型的影響

鉆頭在鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，鉆頭橫刃處的切削情況極為惡劣，實(shí)際上不產(chǎn)生切削作用，只是滾卷和粉碎纖維，是軸向力的主要來源。

選用6.7mm四直槽鉆鉸復(fù)合鉆和6.0mmY330（涂層）麻花鉆進(jìn)行了試驗(yàn)。四直槽鉆鉸復(fù)合鉆鉆尖處沒有了阻礙切削的橫刃，有利于減小切削力，同時(shí)還能鉸孔，不僅精度高而且效率也高。圖11為電子顯微鏡下四直槽鉆鉸復(fù)合鉆與Y330（涂層）麻花鉆所鉆孔的孔壁形貌（n=1000r/min，f=0.056mm/r）。 123456


圖11 不同鉆孔的鉆頭形狀

Y330（涂層）麻花鉆所鉆孔的孔壁存在許多凹痕，這是由于纖維切削斷口不平整引起的。四直槽鉆鉸復(fù)合鉆所鉆孔的孔壁比較均勻光滑，孔壁質(zhì)量明顯高于Y330（涂層）麻花鉆，且6.7mm 四直槽鉆鉸復(fù)合鉆的鉆削軸向力小于6.0mmY330（涂層）麻花鉆。因此，四直槽鉆鉸復(fù)合鉆比麻花鉆更適合碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的鉆削加工。

2、鉆削參數(shù)的影響

從圖7中可以看出：平均軸向力隨著進(jìn)給量的增大都呈現(xiàn)增大趨勢，為了提高鉆孔質(zhì)量，進(jìn)給量可取0.01~0.04mm 范圍內(nèi)。圖12為直徑3.0mm 的Y330（涂層）鉆頭在0.01mm/r進(jìn)給量下，以不同轉(zhuǎn)速鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的軸向力曲線圖。


圖12 主軸轉(zhuǎn)速對軸向力的影響 123456

從圖中可以看出：軸向力隨著轉(zhuǎn)速的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢，曲線的曲率隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸減小，在轉(zhuǎn)速超過6000r/min 后，曲線已經(jīng)變得很平緩。由于切削熱的存在，轉(zhuǎn)速越高，鉆削溫度越高，且高速下，對鉆床剛度要求也高。因此，轉(zhuǎn)速不宜太高，建議轉(zhuǎn)速取在3000~6000r/min范圍內(nèi)，對于剛度好的機(jī)床，可以適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速；對于剛度差的機(jī)床，可以適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。

夾層結(jié)構(gòu)鉆孔

實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常需要對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鈦合金、鋁合金夾層結(jié)構(gòu)鉆孔。目前，生產(chǎn)中一般采用整體硬質(zhì)合金麻花鉆，按鉆削鈦合金、鋁合金的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量進(jìn)行鉆削，直至鉆通。但這種加工工藝存在很大問題，特別是鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鈦合金夾層結(jié)構(gòu)時(shí)。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鈦合金都是的典型難加工材料，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削要求高轉(zhuǎn)速和小進(jìn)給量，鉆削過程中一般采用干切削。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，彈性恢復(fù)大，冷硬、粘結(jié)、擴(kuò)散現(xiàn)象嚴(yán)重，易于氧化，鉆削中有回彈，尺寸不穩(wěn)定。一般采用低轉(zhuǎn)速和適量進(jìn)給量，且鉆削中加切削液。作者采用Y330（涂層）麻花鉆，以鉆鈦合金的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和鈦合金夾層結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鉆頭從鈦合金側(cè)鉆入孔徑尺寸精度高于從復(fù)材側(cè)鉆入，因此，應(yīng)優(yōu)先從鈦合金一側(cè)鉆孔。鉆削時(shí)，復(fù)材易產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象，通過加鯨蠟醇鉆孔潤滑劑，可以緩解復(fù)材的燒傷現(xiàn)象。鈦合金孔徑存在擴(kuò)張量，擴(kuò)張量一般在0.02mm 左右，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的孔徑收縮量一般在0.01mm 左右。要獲得高精度的孔，需要對夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉸孔。經(jīng)鉸孔后，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料孔徑與鈦合金孔徑的極差可以達(dá)到0.01mm 以下。

夾層結(jié)構(gòu)的鉆孔，應(yīng)采用專用加工刀具。國內(nèi)某飛機(jī)制造公司經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)研制出適合夾層結(jié)構(gòu)鉆孔的組合型刀具，該刀具可以較好地提高鉆孔質(zhì)量和刀具壽命。

波音公司針對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鈦合金鉆削加工專門研制了PCD組合鉆頭，取得了良好的效果。刀具壽命得到了較大的提高，鉆孔質(zhì)量也有所改善，同時(shí)提高了加工效率。但此類鉆頭制作工藝比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，是普通硬質(zhì)合金鉆頭的幾百倍。

總結(jié)

鉆削軸向力是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔產(chǎn)生缺陷的主要原因。本文介紹了國內(nèi)外鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的刀具，并以軸向力大小和制孔質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)，對鉆削刀具及鉆削參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了適合鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的刀具及鉆削參數(shù)。并研究了大直徑孔（直徑大于8mm）以及碳纖維復(fù)合材料與鈦合金夾層結(jié)構(gòu)的加工方法。提出采用鉆孔- 擴(kuò)孔加工方式加工大直徑孔。對于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鈦合金夾層結(jié)構(gòu)制孔，優(yōu)先從鈦合金側(cè)鉆入，鉆削時(shí)加潤滑劑。


圖3 山特維克可樂滿刀具