李 健，江秋斐

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

碳纖維復(fù)合材料鉆削試驗研究

李 健，江秋斐

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

在碳纖維復(fù)合材料切削加工過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)分層、劈裂等質(zhì)量問題。文中為了解決碳纖維復(fù)合材料的分層問題，從而達到提高碳纖維復(fù)合材料鉆削質(zhì)量的目的，主要從分析碳纖維復(fù)合材料切削加工工藝特性入手，利用不同的工藝參數(shù)、加工技巧，對其進行了一系列鉆削試驗。通過分析試驗數(shù)據(jù)，對比試驗結(jié)果，從優(yōu)化工藝參數(shù)、加工刀具的選用方面，提出了若干適合實際操作的工藝技巧，確定了最優(yōu)的鉆削方法。該方法被廣泛應(yīng)用到了產(chǎn)品中, 成功改善了碳纖維復(fù)合材料的鉆削質(zhì)量。

碳纖維復(fù)合材料；切削加工工藝；分層；劈裂

引 言

碳纖維復(fù)合材料具有比強度、比剛度高，耐疲勞性能好及可設(shè)計性等特點，可顯著降低航天器的重量，因此，一經(jīng)問世就為航空航天界所重視。隨著材料性能及工藝水平的提高，碳纖維復(fù)合材料已由次承力結(jié)構(gòu)件變成主承力結(jié)構(gòu)件，在航天、航空、軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。

隨著航空航天產(chǎn)品的日益增多，碳纖維復(fù)合材料在產(chǎn)品零件中得到廣泛應(yīng)用，但碳纖維復(fù)合材料具有層間強度低、各向異性、硬度高、脆性大等特點[2]，在切削時易出現(xiàn)層間分層、劈裂現(xiàn)象，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量問題，嚴(yán)重的還會使零件報廢。因此，碳纖維復(fù)合材料的機械加工一直是一個加工難點。

本文根據(jù)碳纖維復(fù)合材料切削加工的工藝特性，利用不同的工藝參數(shù)、加工技巧進行碳纖維復(fù)合材料鉆削試驗，總結(jié)出一系列碳纖維復(fù)合材料的鉆孔工藝方法。該方法被應(yīng)用到了產(chǎn)品中，成功改善了碳纖維復(fù)合材料的鉆削質(zhì)量，在提高碳纖維復(fù)合材料加工質(zhì)量方面取得了良好的效果。

1 碳纖維復(fù)合材料的特性

1.1 機械加工性能

碳纖維復(fù)合材料屬于一種難加工材料，這主要表現(xiàn)在：

1) 碳纖維復(fù)合材料層間強度低。在切削加工過程中，如果復(fù)合材料構(gòu)件所受的切削軸向力過大，層間應(yīng)力就會過大，當(dāng)該應(yīng)力超過其基體樹脂的強度時就會出現(xiàn)分層等現(xiàn)象。

2) 碳纖維復(fù)合材料硬度大，其硬度HRC可達53～65，相當(dāng)于一般高速鋼的硬度。因此，在切削加工時刀具磨損很快[3]。

3) 碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)熱性差。在切削加工過程中，刀具與復(fù)合材料產(chǎn)生大量的摩擦熱，而碳纖維復(fù)合材料的熱導(dǎo)率小，熱量難以在加工中排除，這會使切削區(qū)溫度迅速上升，加速刀具磨損。

1.2 碳纖維復(fù)合材料分層的原因

當(dāng)?shù)毒咔腥胩祭w維復(fù)合材料時，主切削刃首先使纖維剝開，然后把它切斷，這種剝離對最外層材料的影響最大。當(dāng)纖維被剝離開時，刀具的切削刃必須同時切斷纖維，假如不能全部切斷或者所要求的切削力超過基體樹脂的強度，就會產(chǎn)生分層、劈裂等問題。

由以上分析得知，切削軸向力是引起分層缺陷和出口劈裂的主要原因。在切削加工過程中，軸向力越大，分層和劈裂的可能性及破壞的范圍就越大。

2 碳纖維復(fù)合材料鉆削加工研究

根據(jù)以上對碳纖維復(fù)合材料機械加工性能及分層原因的分析，為了有效避免碳纖維復(fù)合材料加工時產(chǎn)生的缺陷，選用多種刀具和加工設(shè)備，采用不同的工藝參數(shù)進行了鉆削加工研究。

選用普通高速鋼直柄麻花鉆、多特207系列三尖兩刃鉆，分別使用普通臺鉆、前哨氣鉆及高速數(shù)控銑床，選取不同的轉(zhuǎn)速，在不采用裝夾墊板的情況下進行鉆孔，并對鉆孔后的外觀質(zhì)量進行了分析，其研究結(jié)果見表1。

表1 鉆孔后的外觀質(zhì)量(無裝夾墊板)

對鉆孔后孔的內(nèi)壁與孔口處進行觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速低于4 000 r/min時，不論是普通麻花鉆還是多特207系列三尖兩刃鉆，在孔的內(nèi)壁與孔口處都出現(xiàn)了不同程度的分層缺陷；當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 000～6 000 r/min時，使用普通麻花鉆所鉆的孔主要在孔口處出現(xiàn)了不同程度的分層缺陷，而使用多特207系列三尖兩刃鉆所鉆的孔未出現(xiàn)分層缺陷，質(zhì)量合格；當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，不論是普通麻花鉆還是多特207系列三尖兩刃鉆，在孔的內(nèi)壁都出現(xiàn)了不同程度的分層缺陷。鉆孔外觀如圖1～圖3所示。

圖2 4 000 r/min切入切出外觀質(zhì)量(無裝夾墊板)

圖3 17 000 r/min切入切出外觀質(zhì)量(無裝夾墊板)

針對上述現(xiàn)象，在原鉆削加工研究的基礎(chǔ)上增加裝夾墊板再進行鉆孔，即將碳纖維復(fù)合材料裝夾在2塊厚度為3 mm的鋁板之間進行鉆削試驗，并對鉆孔后的孔外觀質(zhì)量進行了分析，其研究結(jié)果見表2。

表2 鉆孔后的外觀質(zhì)量(有裝夾墊板)

對鉆孔后孔的內(nèi)壁與孔口處進行觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速低于2 000 r/min時，不論是普通麻花鉆還是多特207系列三尖兩刃鉆，在孔的內(nèi)壁與孔口處都出現(xiàn)了不同程度的分層缺陷；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000～6 000 r/min時，使用普通麻花鉆與多特207系列三尖兩刃鉆所鉆的孔皆未出現(xiàn)分層缺陷，質(zhì)量合格；當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，不論是普通麻花鉆還是多特207系列三尖兩刃鉆，在孔的內(nèi)壁都出現(xiàn)了不同程度的分層缺陷，鉆孔外觀如圖4～圖6所示。比較有無墊板鉆削2種情況，可以發(fā)現(xiàn)有墊板時, 各轉(zhuǎn)速下的鉆削情況均較無墊板時有較大改善。

圖5 4 000 r/min切入切出外觀質(zhì)量(有裝夾墊板)

圖6 17 000 r/min切入切出外觀質(zhì)量(有裝夾墊板)

3 結(jié)束語

從以上試驗數(shù)據(jù)分析可以看出，在對碳纖維復(fù)合材料進行鉆孔時，刀具必須鋒利，切削轉(zhuǎn)速至少在2 000 r/min以上，但也不能過高，最好采用4 000～6 000 r/min的轉(zhuǎn)速。從刀具、加工參數(shù)方面可以得出以下結(jié)論：

1)從刀具方面可以看出：普通高速鋼麻花鉆不合適加工碳纖維復(fù)合材料，因為它容易崩壞、燒損，而多特的三尖兩刃鉆是專門針對非金屬材料設(shè)計的鉆削刀具，刀口鋒利，不易崩壞、燒損。因此三尖兩刃鉆頭更加適合于碳纖維復(fù)合材料的鉆削加工。

2)從加工參數(shù)方面可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速低于2 000 r/min或高于6 000 r/min時，即使使用多特刀具和銑床加工，增加裝夾墊板，也無法避免碳纖維復(fù)合材料出現(xiàn)分層、劈裂缺陷；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于2 000 r/min后，情況有所改善；當(dāng)轉(zhuǎn)速達到4 000～6 000 r/min時，使用多特刀具的鉆削質(zhì)量得到保證，如選用普通鉆頭則建議增加墊板進行鉆削。因此，針對碳纖維復(fù)合材料的鉆削加工，最優(yōu)轉(zhuǎn)速為4 000～6 000 r/min。

此項研究成果已成功應(yīng)用在碳纖維復(fù)合材料的機械加工之中，大大改善了碳纖維復(fù)合材料的鉆削質(zhì)量。目前此試驗項目僅僅研究了碳纖維復(fù)合材料的鉆削加工，以后還將進一步深入研究碳纖維復(fù)合材料的銑削、鉚接等加工內(nèi)容，以進一步提高碳纖維復(fù)合材料的加工質(zhì)量。

[1] 黃家康, 岳紅軍, 董永祺. 復(fù)合材料成型技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

[2] 孫路華, 全燕嗚, 鐘文旺. 碳纖維復(fù)合材料高速鉆削力的研究[J]. 航天制造技術(shù)，2005(3)：9-12.

[3] 胡寶剛, 趙建設(shè), 李德茂. 碳纖維復(fù)合材料的后加工工藝[J].宇航材料工藝，1995(1)：31-35.

李 健(1981-)，男，工程師，主要從事雷達天線系統(tǒng)工藝設(shè)計與研究工作。

江秋斐(1986-)，女，助理工程師，主要從事精密加工工藝設(shè)計與研究工作。

Research on Drilling Process of Carbon Fiber Composite

LI Jian，JIANG Qiu-fei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Lamination and split problems often appear in the cutting process of the carbon fiber composites．To solve the lamination problem and thus to improve the drilling quality, in this paper the cutting process property of the carbon fiber composites is analyzed and a series of drilling tests are carried out with different process parameters and practical process skills．Several practical process skills are provided from process parameter optimization and tool selection by the test data analysis and the test result comparison. And the optimum drilling method is obtained. The drilling process has been applied widely to the product and has improved successfully the drilling quality of carbon fiber composite.

carbon fiber composites； cutting process； lamination； split

2013-03-12

TG506.7

A

1008-5300(2013)04-0052-03