王志超，林有希，林華

(福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)輕質(zhì)，具有纖維的柔曲性和可編性，其硬度相當(dāng)于一般高速鋼的硬度。CFRP從以前主要集中在航空航天及代表科技前沿的軍事領(lǐng)域，逐步拓展到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是近幾年以來，碳纖維的成本逐漸降低，使得CFRP在建筑、體育休閑、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用大幅增長[1-2]。CFRP的材料性能及發(fā)展趨勢正順應(yīng)了汽車工業(yè)的發(fā)展需求，對促進國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。因為CFRP導(dǎo)熱性差、各向異性以及層間強度低等特點，在孔加工時容易出現(xiàn)分層、出入口的毛刺和劈裂等缺陷[3-6]。本文綜述了近幾年來CFRP孔加工缺陷的研究進展，并對未來的發(fā)展方向作了展望。

1 分層缺陷

CFRP產(chǎn)品整體性能的優(yōu)劣主要受其零件孔加工質(zhì)量的影響，在CFRP孔的實際加工過程中，一旦產(chǎn)生分層損傷便不可修復(fù)，是最重要的一類缺陷。在航天制造領(lǐng)域，對飛機進行組裝的過程中60%的裝配失效是分層導(dǎo)致的[7]。分層缺陷就是CFRP孔加工過程中層間應(yīng)力或制造缺陷等引起的不同鋪層之間的脫膠破壞現(xiàn)象。CFRP孔加工分層主要是由鉆削熱和鉆削力造成的[8]。

鉆削時，因為纖維和基體組分的熱膨脹系數(shù)不同，隨著工件和刀具接觸部位溫度的產(chǎn)生和增高，熱應(yīng)力隨之產(chǎn)生。幾何邊界層因為受到熱效應(yīng)而導(dǎo)致應(yīng)力集中，造成局部應(yīng)變的出現(xiàn)，從而引起分層。因為鉆削溫度為梯度分布，有效作用范圍只集中在切削刃附近，且作用時間很短，所以鉆削力的作用占絕對主要成分，分層受鉆削溫度的影響比鉆削力要小得多。CFRP層合板上孔的出入口附近常常出現(xiàn)分層，其破壞方式有入口剝離分層和出口頂出分層。在鉆孔過程中，碳纖維材料表面受到鉆削軸向力，材料各鋪層受到沿厚度方向的拉力，隨之在孔壁的周圍鋪層材料中產(chǎn)生層間應(yīng)力。鉆削軸向力的周期性變化導(dǎo)致孔壁周圍的材料受到交變應(yīng)力，當(dāng)鉆頭橫刃切入材料頂部，而主切削刃尚未完全進入鉆削階段時，主切削刃對復(fù)合材料表面層存在軸向切削力，一個軸向剝離分力在螺旋槽表面隨之產(chǎn)生，伴隨著鉆頭進行旋轉(zhuǎn)，表層材料被掀起，進而在入口附近形成剝離分層缺陷；鉆頭即將鉆出材料時，材料剩余剛度隨著未切削鋪層的減少而變小，當(dāng)材料層間結(jié)合強度不能滿足軸向推力強度要求時，在出口周邊的鋪層之間就會產(chǎn)生脫粘現(xiàn)象，進而造成頂出分層缺陷。

在鉆削過程中，因為入口部位受鉆頭中心向下的軸向鉆削力影響很小，而臨近出口的鋪層受到直接的推力作用，所以在出口附近形成的頂出分層缺陷遠(yuǎn)比入口的剝離分層明顯。為了緩解生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的分層缺陷，M.S.Won等人[9]通過實驗得出結(jié)論，減小橫刃長度能夠降低軸向力，從而有效減少分層缺陷。C.C. Tsao[10]等人在對空心鉆或復(fù)合鉆的鉆削CFRP研究實驗時發(fā)現(xiàn)，在加工過程中工件的分層缺陷隨著軸向力變小而減小，材料去除率增大。葉鷹等人[11]則通過在孔的出口處加裝鋁合金或者膠帶類的墊塊來提高鉆削加工過程中刀具出口處的剛度，從而大大減少了出口分層缺陷的產(chǎn)生。郭瓊等人[12]通過試驗研究了鉆削參數(shù)對CFRP制孔分層缺陷的影響規(guī)律，結(jié)果表明選擇高轉(zhuǎn)速、低進給的鉆削參數(shù)來進行鉆削加工，有利于降低分層損傷。眾多實驗表明，在CFRP孔加工工藝中，可以通過選擇合適的刀具和控制鉆孔工藝參數(shù)等方法來有效地降低鉆削軸向力，從而獲得理想孔加工質(zhì)量[13-15]。通過降低加工過程中的軸向力或者提高復(fù)合材料的分層產(chǎn)生臨界力都可以減少分層缺陷。

2 出口缺陷

在CFRP進行鉆削加工時，經(jīng)常出現(xiàn)孔的撕裂和毛刺缺陷。相比之下，撕裂缺陷的尺寸比毛刺缺陷大，這對CFRP構(gòu)件的現(xiàn)實應(yīng)用也有更大的負(fù)面影響?？走吽毫巡粌H對裝配質(zhì)量有較大影響，同時也是結(jié)構(gòu)件應(yīng)力集中部位，因為出口部位的毛刺和撕裂缺陷遠(yuǎn)比入口部位明顯，所以在進行孔口缺陷研究時以孔出口的撕裂研究為主[16]。

出口缺陷是CFRP鉆削加工最直觀的缺陷，孔加工質(zhì)量的高低常?？梢杂贸隹谌毕莸挠袩o和大小來衡量，毛刺和撕裂均發(fā)生在孔出口側(cè)的最表面一層，通常產(chǎn)生于復(fù)合材料層合板上下表面的纖維鋪層處[17]。通過實驗觀察可以發(fā)現(xiàn)，撕裂的方向是沿孔出口側(cè)最外層纖維方向伸展的[18-20]。溫泉[21]等人通過微米劃痕試驗表明，在進行孔加工時，毛刺缺陷容易產(chǎn)生于刀具旋轉(zhuǎn)方向與纖維方向成鈍角的區(qū)域，而成銳角的區(qū)域邊緣光滑，在兩者方向垂直的區(qū)域則容易形成撕裂缺陷。

鉆孔出入口撕裂的形成主要有兩個階段。在橫刃作用階段，橫刃在鉆出表層材料前對出口側(cè)表層材料有強烈的推擠作用，表層纖維層開始以鉆頭軸線位置為中心發(fā)生小的突起，隨后突起慢慢變大，同時向外層纖維鋪層的方向延伸。延伸到一定程度時，CFRP表層纖維間產(chǎn)生開裂，橫刃切出；而在主切削刃作用的階段，主切削刃的作用一方面表現(xiàn)為與橫刃一樣的繼續(xù)向外推擠的作用，另一方面是因其自身旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭曲作用。在橫刃鉆出工件表面后，撕裂缺陷在主切削刃的繼續(xù)作用下最終形成[22]。因為橫刃是負(fù)前角切削，所以在切削加工時軸向力的50%以上集中在橫刃，在主切削刃和橫刃中，橫刃的作用占主導(dǎo)成分。

加工工藝參數(shù)會直接影響孔壁表面損傷，撕裂現(xiàn)象隨著進給速度、鉆頭直徑和軸向鉆削力等的增大而越來越明顯，但撕裂長度卻會隨著切削速度的增大而減小[22]?？壮隹谌毕莩毫淹膺€經(jīng)常存在毛刺缺陷，毛刺常出現(xiàn)在表層纖維被“順向”切削的部分，而在表層纖維被“逆向”切削的部分則較為整潔。在加工過程中，毛刺缺陷雖然可以通過后續(xù)锪孔工序來消除，但是表層撕裂范圍一旦超出锪孔直徑則無法補救，將會直接導(dǎo)致工件報廢。

如果鉆刃鋒利度不夠，會導(dǎo)致復(fù)合材料纖維沒有完全切斷進而造成毛刺和撕裂的產(chǎn)生，因此提高切削刃的鋒利性能夠有效地解決此類缺陷。在進行孔加工的過程中，由于鉆頭鉆出材料時碳纖維板材料厚度越來越低，鉆孔處強度不斷下降。當(dāng)鉆頭橫刃觸碰到最外層纖維時，鉆頭對最外層材料施加與其他纖維層分開的推力，橫刃由于負(fù)前角而不夠鋒利，因此孔出口端纖維層不是被切斷，而是在軸向力作用下向外退讓。如果不對最外層纖維層加以墊實，那么最外層纖維很容易與基體撕開，造成出口撕裂。在孔的出口處墊上軟膠木塊，從而確保鉆削過程中復(fù)合材料纖維不偏倒，也可以有效減少毛刺和撕裂缺陷的產(chǎn)生[23]。也可以通過在孔的出口處粘貼可剝布和固化膠層或者加裝鋁合金墊塊來提高鉆削加工刀具出口處的剛度，進而避免出口缺陷的產(chǎn)生[11,14]。

3 孔壁表面缺陷

在鉆頭切入CFRP的過程中，纖維受主切削刃的作用產(chǎn)生剝離，當(dāng)切削力超過基體樹脂的強度或者鉆頭的切削刃無法在把纖維剝離開的時候同時將其全部切斷時，在孔的入口處就會產(chǎn)生開裂并沿著表面層纖維的方向蔓延，造成劈裂缺陷。除此之外，孔壁表面粗糙度也是影響CFRP孔間鏈接的重要因素。Dur?o[24]等人通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，CFRP在鉆削加工后的孔壁表面粗糙度的值過于分散。因為CFRP增強體和基體材料加工性能的不同，切削加工后纖維表面留有各種凹凸缺陷，其表面粗糙度很難通過公式計算得到[25]。Turki[17]61等人通過實驗對CFRP孔壁表面質(zhì)量進行研究發(fā)現(xiàn)，在纖維方向與切削方向呈45°夾角的部位是加工缺陷最嚴(yán)重的區(qū)域，其缺陷主要表現(xiàn)為纖維拔出和毛刺；在纖維方向與切削方向呈90°夾角的部位，加工表面質(zhì)量則明顯好于其他部位。

刀具結(jié)構(gòu)和工藝方法會直接影響金屬材料切屑的形成過程，為了提高孔壁質(zhì)量，可以通過改善金屬材料的切屑形貌來減少疊層材料的孔壁表面損傷[26]。在選取適當(dāng)進給速度的條件下，也可以通過提高主軸轉(zhuǎn)速來提高孔加工質(zhì)量，減少孔壁表面的損傷。另外，不同鉆頭對孔加工質(zhì)量也有著很大的影響。R. Piquet[27]等人分別使用標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆和特殊鉆頭對CFRP進行加工實驗，發(fā)現(xiàn)特殊鉆頭的加工質(zhì)量比標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆好很多，產(chǎn)生的最大破壞半徑也比較小，相比之下特殊鉆頭更適于加工CFRP。王明海[28]等人建立了有限元分析模型，對標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆和薄板鉆的加工分別進行研究，發(fā)現(xiàn)使用薄板鉆加工的質(zhì)量比標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆高得多。復(fù)合材料孔壁表面損傷會影響到零件的裝配質(zhì)量、疲勞裂紋的位置及擴展速率，同時也會對交變載荷下飛機結(jié)構(gòu)件的連接強度和疲勞壽命有著重要影響[29-31]。在CFRP孔加工的過程中，使材料不受軸向鉆削力影響，可以有效改善CFRP孔加工質(zhì)量。

目前變工藝參數(shù)鉆削、“以磨代鉆”、螺旋銑孔和振動輔助孔加工等新型的孔加工方法被研究開發(fā)，通過新工藝加工出來的孔出入口更為平整，分層和孔壁表面的缺陷明顯減少[32-35]。

4 結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料擁有高比強度、高比硬度、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)良特性，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境，而CFRP制品的關(guān)鍵在于零件之間的連接，孔加工質(zhì)量嚴(yán)重影響到成品的性能。本文主要闡述碳纖維復(fù)合材料在孔加工中出現(xiàn)的主要缺陷及其形成機理，并概括了目前提高CFRP孔加工質(zhì)量的有效方法。隨著對CFRP研究和應(yīng)用的不斷深入拓展，對孔加工質(zhì)量的要求也越來越高，傳統(tǒng)的鉆孔技術(shù)已經(jīng)不能滿足要求，新型高效的刀具開發(fā)具有重要的意義，更多高效高質(zhì)量孔加工技術(shù)的研發(fā)是CFRP加工制造領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢。

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