碳纤维复合材料高质量制孔工艺.pdf

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第41卷增刊2009年12月南京航空航天大学学报JournalofNanjingUniversityofAeronautics&AstronauticsV0141NoSDec2009碳纤维复合材料高质量制孑L工艺魏威韦红金（南京航空航天大学无人机研究院，南京，210016）摘要：

制孔质量是导致碳纤维复舍材料产品报废的重要因素。

本文从机械加工的角度，论述了碳纤雏复材产品制孔工艺过程中的主要缺陷及其形成机理。

为解决这些缺陷，根据其形成机理，设计了相关对比工艺试验。

在试验验证的基础上，提出了碳纤维复合材料高质量制孔的工艺参数关键词：

碳纤维复合材料；钻孔孑L缺陷；工艺参数中图分类号：

TG3文献标识码：

A文章编号：

10052615（2009）增刊一0115-04HighQualityHoleDrillingProcessforCarbonFiberCompositesWeiWei，WeiHongjin（ResearchInstituteofUnmannedAircraft，NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics。

Nanjing，210016，China）Abstract：

ThequalityofholedrillingisakeyfactorforscrappingcarbonfibercompositeproductsThemajordeficiencyanditsformingmechanismsduringtheholedrillingprocessaredescribedfromtheaspectofmachiningToavoidthedeficiency，therelevantcomparativetestsaredesignedaccordingtotheformingmechanismsBasedonthetests，technologicalparametersofhighqualityholedrillingforcarbonfibercompositesareproposedKeywords：

carbonfibercomposites；holedrilling；holedeficiency；technologicalparameter由于复合材料具有比强度高、比刚度大、可设计性强及良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性等其他传统材料不可比拟的优越性质，因此在航空领域得到广泛应用。

复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。

图1为国外复合材料在大飞机的应用状况，从中可以看出复合材料在飞机上的应用与日俱增，以波音787为例，其复合材料构件重量约占全机结构重量的50。

目前复合材料不仅在大飞机制造上得到广泛应用，而且在各型号无人机制造上的应用也呈快速增长趋势。

复合材料成型后，多数情况下尚须进行一定的机械加工，以满足装配、连接等要求。

可以认为，机械加工是复合材料制件的最后工序。

其质量的好坏，直接关系到复合材料制件，以致整个飞机的质19501960197019801990200020102020酋飞时间年图1国外大飞机复合材料用量示意图量。

连接孔的加工质量直接关系到飞机的装配质量和飞机寿命。

且通常孔的加工数量庞大，例如一架F一16战斗机有24万多个连接孔，一架波音747飞机有300多万个连接孔。

美国最先进的F一22战斗机收稿日期：

20090521；修订日期：

2009-0803作者简介：

魏威，男，助理研究员，1975年10月生，Email：

wrabbitnuaaeducn。

爨嘲匠蒌#如聪万方数据116南京航空航天大学学报第41卷在研制过程中就将复合材料制孔作为一项关键性制造技术进行攻关。

由于复合材料与传统材料的特点不同，它是由纤维和基体组成的二相或多相结构，是非均质和各向异性的，且碳纤维的硬度很高，所以复合材料的机械加工与金属材料有着本质的区别，因此不能将加工传统材料的经验和知识直接应用于复合材料的加工，如在复合材料制孔时采用传统的钻削金属的方法将产生较多的问题。

碳纤维复合材料的孔加工质量是生产中一个极其重要的问题，制孑L时任何质量问题都会形成产品的缺陷，导致零件报废。

据统计，飞机在最后组装时，制孔不合格率要占全部复合材料零件报废率的60以上1。

，本文从机械加工的工艺角度，论述了碳纤维复合材料孑L加工过程中的主要缺陷，针对这些缺陷，作者设计了相关工艺实验方案，并进行了对比试验，在此基础上提出基于碳纤维复合材料高质量制孑L的工艺参数。

1碳纤维复合材料孔加工过程中的主要缺陷1。

6碳纤维复合材料属于难切削加工材料，它性脆、强度高、碳纤维硬度大导热能力差，导热系数只为奥氏体不锈钢的151lO。

碳纤维的高硬度使得刀具磨损快、刀具耐用度低。

另外碳纤维复合材料各向异性，层间强度低，钻孔时在切削力作用下容易产生加工缺陷，加工质量难以保证。

碳纤维复合材料孔的缺陷的表现在多方面：

（1）孑L出口撕裂和起毛；

（2）人口劈裂；（3）孔壁周围材料发生分层；（4）孔壁表面粗糙及微裂纹；（5）孔形不圆及尺寸误差等，如图2所示。

白孔壁表面：

粗糙度微裂纹口：

撕裂毛边1_-111壁型璺塑塑!

坌星孔径：

尺寸误差I-。

-。

_-。

_-。

-。

一圆度误差I负面影响也比较大，所以对孔出13缺陷的研究以撕裂为主。

撕裂和毛边均发生在孔出13侧的最表面一层，且撕裂沿孔出13侧最外层纤维方向伸展。

出口缺陷是碳纤维复合材料钻削加工常见的缺陷之一，也是最直观的缺陷之一，出口缺陷的有无及大小常可代表制孔质量的高低。

钻孔出口撕裂形成过程包括两个作用阶段即横刃作用阶段和主切削刃作用阶段，由于横刃是负前角切削，轴向力的50以上集中在横刃，所以在横刃和主切削刃两者中，横刃的作用占主导成分。

据观察，在横刃钻出的瞬时，撕裂长度已达最终撕裂长度的6070以上。

图3（a）为横刃钻出瞬间的撕裂情况照片，图3（b）为钻削后最终撕裂情况照片。

从这两张照片可以清楚地看到这一点。

孔出口缺陷除撕裂外，在表层纤维被“顺向”切削部分，还经常存在起毛缺陷；而在表层纤维被“逆向”切削部分，一般较整洁。

（a）横州钻出瞬间撕裂（b）钻削后最终撕裂囝3孔出口撕裂情况照片图2碳纤维复合材料孔加工缺陷12分层11孔出口撕裂和起毛分层是指由层间应力或制造缺陷等引起的复孔出口缺陷包括撕裂和毛边等两种。

撕裂比毛合材料铺层之间的脱胶分离破坏现象。

在碳纤维复边的尺寸大，对碳纤维复合材料构件实际使用中的合材料钻孔过程中，孔壁周围材料出现层间分离破万方数据增刊魏威，等：

碳纤维复合材料高质量制孔工艺117一一坏是钻削加工最主要的缺陷之一，也是一直困扰实际生产的大问题。

据文献43介绍，分层是组装过程中导致报废的最主要原因。

造成碳纤维复合材料孔加工分层的主要原因有两个，一个是钻削力，一个是钻削热。

碳纤维复合材料孔加工分层往往是这两种原因综合作用造成的，但钻削力的作用占绝对主要成分。

当轴向钻削力作用在碳纤维复合材料板表面时，纤维层之间产生的产内应力若达到或超过纤维层之间树脂的强度，则纤维层将由于树脂的断裂而产生分层。

通常可以用3种不同型式对固体中的裂纹施加应力（图4）5：

垂直应力造成“张开型”即1型裂纹，面内剪切应力造成“滑开型”即II型裂纹，面外剪切应力造成“撕开型”即nI型裂纹。

图4分层机理示意图纹裂纹钻削时，随着刀具与工件接触部位的温度产生并增高，由于纤维、基体两种组分的热膨胀系数不同，在切削过程中产生热应力，受到热效应的几何边界层将会导致应力集中，产生局部应变，从而引起分层”。

钻削温度为梯度分布其有效作用范围很小，只集中在切削刃附近；且其作用时间也很短，所以与钻削力相比，钻削温度对分层的影响要小得多。

钻孔出口面加垫板，可减小出口撕裂和分层。

垫板材料可选用硬塑料板、夹布木板或硬铝板等嗍。

图5为钻孔时分层影响因素框图。

图5分层影响因素2实验21钻头材料选择实验用不同材料的钻头，在厚度为5mm，含胶量为40Z（体积含量）的碳纤维复合材料板上进行钻孔实验，钻头的钻出面加塑料垫片，钻头直径黟5，后角13a，钻头转速咒=1400rrain。

表1列出了不同钻头材料钻孔对钻头径向磨损和钻孔质量的影响。

表1不同钻头材料对钻头径向磨损和钻孔质量的影响钻头钻头参数分层钻头径同材料螺旋角（。

）横刃长ramW18Cr4V25507磨损ramO01800100005C05SiY3330717012033由表1可以看出用常规材料W18Cr4V，C05Si的钻头加工碳复合材料，钻头磨损相当严重，且钻孔的周围复合材料分层量大，最大可达35mm，而采用硬质合金钻头来加工，钻头的磨损情况大大下降，而且孔的质量好，其孔周围复合材料的分层仅为03mm左右。

22钻头后角选择实验用不同后角m的硬质合金钻头，在厚度为5mm，含胶量为40（体积含量）的碳纤维复合材料板上进行钻孔实验，钻头的钻出面加塑料垫片，钻头直径万5，螺旋角fl=23。

，顶角118。

，钻头转速靠=1400rmin。

表2列出了钻头后角对刀具磨损和钻孔质量的影响。

表2钻头后角对刀具磨损和钻孔质量的影响i7_百再西西骊最大孔最大钻头径向钻头磨损万方数据118南京航空航天大学学报第4l卷由表2可以看出，当钻头后角嘶为25，30。

时，其制出的孔周围分层和毛刺均大，而用后角啦为13，20。

的钻头钻孔，孔的质量能得到保证，且钻头磨损小。

23钻头转速实验选用硬质合金钻头，在厚度为5film，含胶量为40（体积含量）的碳纤维复合材料板上进行钻孔实验，钻头的钻出面加塑料垫片，钻头直径j2f5，螺旋角卢=23。

，顶角118。

，钻头转速押=1400rrain，进给量，=0083mmr。

每组钻10个孔。

表3列出了钻头转速对钻孑L质量和钻头磨损的影响。

表3钻头转速对钻孔质量和钻头磨损的影响n最大分最大毛孔精度mm钻头磨损（rrain-1）层mm刺ram最大上偏差10孔相差VBmm从表3可以看出，用高速钻孔分层小，且孔的质量较好，但是高转速钻头