鄢國洪

(廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門 361021)

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是以碳纖維為增強(qiáng)體的樹脂基復(fù)合材料，隨著人們對CFRP 認(rèn)識的不斷深入，其優(yōu)異的性能不斷凸現(xiàn)，促使其用量不斷上升。20 世紀(jì)70 年代以前，CFRP 被視為昂貴的材料，只用于軍工、宇航等尖端技術(shù)行業(yè);20 世紀(jì)80 年代以后，隨著復(fù)合材料制造技術(shù)不斷進(jìn)步，制造成本的降低以及性能提升，使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，從軍用逐漸普及至民用，從次承力結(jié)構(gòu)件逐漸應(yīng)用至主承力結(jié)構(gòu)件［1-2］。

1 碳纖維復(fù)合材料的性能

碳纖維復(fù)合材料既有碳材料的固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性，其優(yōu)異的綜合性能是任何單一材料無法比擬的。

(1)低密度高強(qiáng)度。CFRP 密度不到鋼的1/4，鋁合金的1/2;比強(qiáng)度為鋼的5 倍以上，比模量則是其它結(jié)構(gòu)材料的1.3～12.3 倍。

(2)良好的抗疲勞特性。由于CFRP 中存在著許許多多的碳纖維和樹脂基體界面，這些界面能夠阻止裂紋的擴(kuò)展，在長期交變載荷條件下工作時CFRP 構(gòu)件的壽命遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料構(gòu)件。

(3)穩(wěn)定的化學(xué)性能。CFRP 耐高低溫，耐腐蝕，在2000 ℃以上高溫惰性環(huán)境中，是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)，在-180 ℃左右的低溫下，仍具有較好的柔韌性，不與酸、堿等腐蝕溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

(4)良好的工藝性。CFRP 是一種各向異性材料，其鋪層取向可以在很寬的范圍進(jìn)行調(diào)整，由于鋪層的各向異性特征，通過選擇合適的鋪層方向和層數(shù)可以滿足材料強(qiáng)度、剛度和各種使用要求［3］。

2 碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

2.1 航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展推動了航空、航天整體技術(shù)的發(fā)展。由于CFRP 優(yōu)良的綜合性能，很早就被應(yīng)用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線中。法國電信一號通信衛(wèi)星的蒙皮由T300 CFRP 制成，衛(wèi)星上的展開式太陽能電池帆板也采用了CFRP。日本東麗公司近年來連續(xù)推出的T800 和T1000 等高強(qiáng)度碳纖維和M50J、M60J 等高模量碳纖維，使CFRP 在衛(wèi)星上的應(yīng)用從次承力結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)入主承力結(jié)構(gòu)件。人們甚至將碳纖維復(fù)合材料在航天結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的規(guī)模視為衡量航天結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一［4］。

碳纖維復(fù)合材料還是生產(chǎn)武器裝備的重要材料。在戰(zhàn)斗機(jī)和直升機(jī)上，CFRP 主要應(yīng)用在機(jī)身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能。美國在殲擊機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)上先進(jìn)復(fù)合材料的用量已達(dá)到25%以上，軍用直升機(jī)用量達(dá)到50%以上。在民用飛機(jī)上大量應(yīng)用CFRP 能夠減輕質(zhì)量、節(jié)省燃油、降低排放，從而增大航程。波音787 中結(jié)構(gòu)材料有近50%使用CFRP，包括主機(jī)翼和機(jī)身［5］。

2.2 風(fēng)力發(fā)電、汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電裝備的關(guān)鍵部件是葉片，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量增加到一定程度時，葉片質(zhì)量的增加幅度將大于風(fēng)機(jī)能量輸出的增加幅度，這就需要使葉片盡可能地輕質(zhì)化;為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片又必須具有足夠的剛度，目前CFRP 已成為葉片材料的最佳選擇。另外，利用碳纖維的導(dǎo)電性能，通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以有效避免雷擊對葉片造成的損傷。CFRP 在風(fēng)機(jī)葉片中的應(yīng)用將成為繼航空航天后的另一大應(yīng)用領(lǐng)域［6］。

CFRP 在新能源汽車和現(xiàn)有燃油汽車領(lǐng)域的應(yīng)用都可降低油耗和減少排放，是國外汽車材料發(fā)展的重點(diǎn)?，F(xiàn)在的F1 賽車，車身大部分結(jié)構(gòu)都用碳纖維材料，在碰撞中對能量的吸收能力比鋼材或鋁材高出4～5 倍;頂級跑車的一大賣點(diǎn)也是周身使用碳纖維，用以提高氣動性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3 碳纖維復(fù)合材料常見切削加工缺陷分析

碳纖維復(fù)合材料的切削加工主要包括鉆孔和銑削。由于CFRP 的力學(xué)性能呈各向異性，層間強(qiáng)度低，且碳纖維的硬度高、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性差，為機(jī)械加工方面帶來極大的困難。傳統(tǒng)的整體硬質(zhì)合金刀具很難滿足復(fù)合材料優(yōu)質(zhì)高效的加工要求。

3.1 鉆削CFRP 時常見缺陷分析

由于CFRP 為多層不同鋪設(shè)方向的碳纖維絲組合而成，用傳統(tǒng)的工藝加工時，CFRP 在切削力的作用下極易產(chǎn)生毛刺、撕裂、分層等缺陷，鉆孔時尤為嚴(yán)重，甚至使工件報廢，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的成品率［7］。圖1 所示為普通硬質(zhì)合金麻花鉆鉆削CFRP 的示意圖。鉆孔時，麻花鉆的橫刃首先接觸復(fù)合材料，由于橫刃處為負(fù)前角，實(shí)際上產(chǎn)生的切削作用很小，只是滾卷和粉碎纖維，卻是鉆削軸向力的主要來源。而CFRP 在厚度和水平方向力學(xué)性能相差甚遠(yuǎn)，在鉆削過程中，當(dāng)纖維層受到的軸向拉力大于復(fù)合材料纖維層與纖維層之間的粘結(jié)強(qiáng)度時，材料內(nèi)部就容易出現(xiàn)分層破壞;當(dāng)?shù)度秀@削至最后一層纖維材料時，由于孔的出口側(cè)沒有下面材料的支撐，剛性降低，在鉆削軸向力的作用下，纖維束容易發(fā)生分散，不易被剪切斷，從而在出孔表面形成撕裂和毛刺現(xiàn)象，如圖2 所示［8］。

圖3a 所示為普通硬質(zhì)合金麻花鉆鉆削CFRP 時出口側(cè)毛刺照片，其現(xiàn)象是纖維未能沿孔邊緣切斷而產(chǎn)生毛邊;圖3b 所示為出口側(cè)撕裂照片，其現(xiàn)象是表層材料與基體分離而形成。相對毛刺而言，撕裂對材料性能的影響較大，尤其在裝配時，可能因受力不均引起連接處應(yīng)力集中，降低材料的使用性能。圖4 所示為孔的內(nèi)部出現(xiàn)的材料分層現(xiàn)象。分層是指由層間應(yīng)力或制造缺陷等引起的復(fù)合材料鋪層之間的脫膠分離破壞現(xiàn)象，分層會嚴(yán)重降低材料的性能和工件加工質(zhì)量，甚至使工件報廢，特別是內(nèi)部分層不容易觀察和發(fā)現(xiàn)，更加容易存在安全隱患［9］。

3.2 銑削CFRP 時常見缺陷分析

在碳纖維復(fù)合材料的銑削加工中，普通的硬質(zhì)合金立銑刀作為一種通用經(jīng)濟(jì)的刀具廣泛存在于生產(chǎn)領(lǐng)域［10］。圖5 所示為普通右旋立銑刀銑削碳纖維復(fù)合材料時的加工示意圖。銑削過程中，由于刀具右旋螺旋角的存在，復(fù)合材料的上、下表面均受到斜向上的切削力的作用，此時材料下表面的纖維層剛性較好，容易完全被切斷;而材料上表面的纖維層由于缺乏上方的支撐材料，不容易完全被切斷，因此在工件的上表面易出現(xiàn)毛刺、撕裂，甚至是分層現(xiàn)象，影響工件表面質(zhì)量。

圖6a 所示為使用普通右旋立銑刀側(cè)銑碳纖維復(fù)合材料時的加工表面質(zhì)量照片。從圖中可以看出，工件的上表面出現(xiàn)了毛刺現(xiàn)象，而下表面加工質(zhì)量較好。當(dāng)切削刃磨鈍后，切削力將顯著增大，如果切削力的垂直分力(軸向力)超過復(fù)合材料的層間結(jié)合力，碳纖維層便與周圍樹脂基體發(fā)生脫粘，出現(xiàn)了明顯的層間分離現(xiàn)象，特別是在靠近工件上表面位置更容易發(fā)生，嚴(yán)重影響工件的加工質(zhì)量。如圖6b 中A1、A2 位置所示。

4 新型硬質(zhì)合金整體刀具切削性能分析

針對碳纖維復(fù)合材料的切削加工特性，選擇合適的刀具結(jié)構(gòu)以及合理的刀具幾何參數(shù)成為優(yōu)質(zhì)、高效切削加工CFRP 的關(guān)鍵。本文介紹了廈門金鷺特種合金有限公司研制的CFRP 鉆削專用新型硬質(zhì)合金鉆頭以及銑削專用新型硬質(zhì)合金立銑刀。

4.1 鉆削CFRP 的新型硬質(zhì)合金鉆頭

針對碳纖維復(fù)合材料鉆孔工藝的主要技術(shù)要求，是在保證被加工孔精度的前提下盡可能防止出現(xiàn)分層或毛刺、撕裂現(xiàn)象，同時提高加工效率。圖7 所示為兩種新型的鉆削CFRP 專用刀具:W 型鉆頭和鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具。

4.1.1 W 型鉆頭

W 型鉆頭采用“三尖兩刃”的結(jié)構(gòu)，相比普通麻花鉆，大大縮短了橫刃的長度，只留下較短的橫刃(刃尖)在鉆削過程中起定心的作用，如圖8 所示。使用W 型鉆頭鉆削CFRP 時，鉆頭刃尖先接觸到復(fù)合材料，主要起定位作用，隨即鉆頭外緣的W 刃尖接觸材料并開始切削，先將被加工孔圓周的纖維層剪切斷，然后再由鉆頭的主切削刃繼續(xù)剪切碳纖維層。在W 型鉆頭出孔時，鉆尖將已剪切完成的柱狀纖維板完整推出，同時副切削刃對已形成的孔進(jìn)行修正，進(jìn)一步將少量毛刺切斷，形成孔最終形態(tài)，如圖9 所示。由于切削加工余量的去除主要由外緣鋒利的W 刀尖完成，鉆孔時由橫刃產(chǎn)生的軸向力比普通麻花鉆小得多，可以減少或避免工件上毛刺、撕裂、分層等缺陷的產(chǎn)生，更好地保證了CFRP 鉆孔的質(zhì)量［11］。

4.1.2 鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具

鉆擴(kuò)鉸復(fù)合刀具采用多刀刃設(shè)計(jì)，切削刃由刃尖、底刃、1 階擴(kuò)孔刃、1 階鉸削刃、2 階擴(kuò)孔刃和2 階鉸削刃6 個部分組成，可實(shí)現(xiàn)CFRP 的鉆、擴(kuò)、鉸一體化加工，如圖10 所示。鉆削時復(fù)合刀具的刃尖先接觸到復(fù)合材料，主要起定心作用，隨即底刃開始鉆孔，先在復(fù)合材料上形成一個定位錐孔。緊接著1 階擴(kuò)孔刃進(jìn)入切削，碳纖維復(fù)合材料被逐步切除;然后1 階鉸削刃進(jìn)入切削，鉸削過程中，鉸削刃在將前端鉆削時產(chǎn)生的缺陷切除的同時，對孔壁起到了修整作用，為后續(xù)2 階擴(kuò)孔起了到良好的過渡作用。隨后2 階擴(kuò)孔刃和2 階鉸削刃繼續(xù)擴(kuò)孔和鉸孔，最終形成尺寸合格、表面質(zhì)量優(yōu)異的鉆削孔，如圖11 所示。由于新型復(fù)合刀具在鉆削過程中采用多次分階段逐層切削，切削過程更加平穩(wěn)，相比普通硬質(zhì)合金麻花鉆頭，大大增加了切削刃的長度，從而減小切削刃上的單位切削力，延長了切削刃的鋒利性，提高了鉆孔質(zhì)量和加工效率［12］。

新型鉆頭鉆削CFRP 時表面質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金鉆頭，配以耐磨損的刀具涂層(TiAlCrN/Ti-SiN 或金剛石涂層)，可顯著提高刀具使用壽命。其中W 型鉆頭適合鉆削厚度小于5 mm 左右的薄板，而鉆擴(kuò)鉸一體鉆頭更適合鉆削厚板，所加工的板厚甚至可達(dá)18 mm。

4.2 銑削CFRP 的新型硬質(zhì)合金立銑刀

CFRP 的銑削加工主要體現(xiàn)在將成形后復(fù)合材料板材周邊的多余部分切削去除以及將大塊的CFRP 板材切削加工成小塊或?qū)FRP 板材按設(shè)計(jì)要求銑削成形。圖12 所示為兩種新型的銑削CFRP 專用刀具:交錯刃立銑刀和菱齒型立銑刀。

4.2.1 交錯刃立銑刀

交錯刃立銑刀的切削刃分為上下兩個部分，采用近端部刃右旋、近柄部刃左旋的交錯設(shè)計(jì)，下端右旋切削刃用于銑削工件下表面，工件下表面受到了向上的切削分力;而上端左旋切削刃用于銑削工件上表面，工件上表面受到了向下的切削分力，切削合力始終指向工件材料板厚的中心，如圖13 所示。銑削過程中，材料上、下表面的纖維層容易完全被切斷，從而避免了工件上、下表面撕裂、毛刺、分層等加工缺陷的產(chǎn)生。交錯刃立銑刀主要用于側(cè)面銑削CFRP 的半精和精加工，加工時應(yīng)使左右螺旋切削刃的交匯處始終保持在復(fù)合材料板厚的中間位置。

4.2.2 菱齒型立銑刀

圖14 所示為菱齒型立銑刀的刃型示意圖。菱齒型立銑刀每一個切削刃都由右旋切削刃和左旋切削刃組成，在任一截面均有右旋刃和左旋刃同時參與切削加工，在較高切削速度的作用下，工件表面層纖維材料同時受到了向上和向下切削力的作用，類似于剪刀原理，纖維材料被輕易剪斷，可以有效地防止工件上、下表面撕裂、毛刺等加工缺陷的產(chǎn)生，提高復(fù)合材料的加工質(zhì)量。同時由于菱齒型立銑刀在切削CFRP 時，參與切削的刃數(shù)比交錯刃立銑刀多，從而顯著減小了單位切削力，可以實(shí)現(xiàn)高效加工。通過改變切削刃的數(shù)量和寬度，菱齒型立銑刀可以實(shí)現(xiàn)CFRP 的粗加工、半精加工和精加工。

新型硬質(zhì)合金立銑刀銑削CFRP 時可以顯著提高工件表面質(zhì)量和加工效率，配以高硬度、耐磨損的金剛石涂層又可顯著提升刀具壽命，很好地滿足了CFRP優(yōu)質(zhì)高效的加工要求。

5 展望

由于碳纖維復(fù)合材料具有其它金屬材料不可比擬的優(yōu)勢，在航空航天、風(fēng)力發(fā)電葉片、汽車部件等領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛，碳纖維復(fù)合材料在廣泛應(yīng)用的同時也遇到切削加工的難題。通過新型整體硬質(zhì)合金鉆頭和立銑刀的開發(fā)，可有效解決碳纖維復(fù)合材料在鉆削和銑削加工中的技術(shù)難題，有助于推動碳纖維復(fù)合材料更加廣泛的工程應(yīng)用。

［1］趙稼祥.民用航空和先進(jìn)復(fù)合材料［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2007(4):6 -10.

［2］張新元，何碧霞，李建利，等.高性能碳纖維的性能及其應(yīng)用［J］.棉紡織技術(shù)，2011(4):65 -67.

［3］李威，郭權(quán)鋒.碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.中國光學(xué)，2011，4(3):201 -212.

［4］吳良義.先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用擴(kuò)展:航空、航天和民用航空先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)和市場預(yù)測［J］.化工新型材料，2012(1):4 -9.

［5］Doug Smock.波音787:復(fù)合材料革命的代表［J］.工業(yè)設(shè)計(jì)，2007(9):46 -48.

［6］楊小平，黃智彬，張志勇，等.實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報，2010(2):1 -5.

［7］張厚江，陳五一，陳鼎昌.碳纖維復(fù)合材料(CFRP)鉆孔出口缺陷的研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2004，40(7):150 -155.

［8］Tsao C C，Hocheng H.Evaluation of thrust force and surface roughness in drillingcomposite material using Taguchi analysis and neural network［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008(203):342-348.

［9］鮑永杰.C/E 復(fù)合材料制孔缺陷成因與高效制孔技術(shù)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2010.

［10］Devi Kalla，JamalSheikh -Ahmad，JanetTwomeya.Prediction of cutting forces in helical end milling fiber reinforced polymers［J］.International Journal of Machine Tools＆Manufacture，2010(50):882 -891.

［11］楊小璠，李友生，鄢國洪，等.新型刀具鉆削碳纖維復(fù)合材料的可行性研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2014(12):165 -167，176.

［12］楊小璠，李友生，鄢國洪，等.鉆擴(kuò)鉸一體加工對提高碳纖維復(fù)合材料表面質(zhì)量的研究［J］.福州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2015，43(1):89 -93.