蔣驍捷，胡小平，蘇 飛，袁 億

（1.湖南科技大學(xué)教育部先進(jìn)礦山裝備工程研究中心，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué)智能制造研究院，湖南 湘潭411201；3.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201）

1 引言

復(fù)合材料以輕質(zhì)、高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)、抗疲勞、耐腐蝕、耐摩擦等特性，以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber-Reinforced Plastic，簡(jiǎn)稱CFRP）為代表的高性能復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域已得到了日益廣泛的應(yīng)用，成為繼鋁合金、鈦合金、合金鋼之后的四大航空結(jié)構(gòu)材料之一[1]。據(jù)報(bào)道，寬體客機(jī)將大幅度提高復(fù)合材料的使用比率，50wt%復(fù)合材料用量將是未來(lái)飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料使用的起點(diǎn)。目前，CFRP已成為新型飛機(jī)的首選結(jié)構(gòu)材料[1]，被廣泛用于機(jī)身和機(jī)翼的承力部位，如圖1（a）、圖1（b）所示。大大減輕結(jié)構(gòu)重量，提高飛機(jī)性能。在CFRP結(jié)構(gòu)件的裝配連接中，大多需要進(jìn)行后續(xù)的機(jī)械加工，其中，鉆削加工占后續(xù)機(jī)械加工總量的50%以上，是最為繁重的機(jī)械加工工序之一，如一架F-16戰(zhàn)斗機(jī)需要加工24萬(wàn)個(gè)連接孔，一架波音747需要加工300多萬(wàn)個(gè)連接孔[1]。但由于層間連接強(qiáng)度差、材料硬度高等特點(diǎn)，在機(jī)械加工中常出現(xiàn)毛刺、分層、撕裂等加工缺陷，如圖1（c）所示。嚴(yán)重影響制孔質(zhì)量和材料性能。近幾年，在CFRP制孔加工缺陷、制孔工藝及其專用刀具方面得到了廣泛深入的研究和探索，但隨著航空制造業(yè)對(duì)裝配質(zhì)量要求的進(jìn)一步提升，CFRP制孔技術(shù)仍需進(jìn)一步深入研究[1]。首先對(duì)CFRP制孔缺陷形成機(jī)制及其評(píng)價(jià)方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述；其次，對(duì)CFRP現(xiàn)有制孔工藝的特點(diǎn)和CFRP專用制孔刀具的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理；最后，針對(duì)CFRP制孔缺陷的抑制，提出CFRP制孔加工技術(shù)的下一步研究重點(diǎn)。

圖1 CFRP的應(yīng)用及其制孔缺陷Fig.1 Application of the CFRP and the Drilling-Induced Defects

2 制孔加工缺陷的研究現(xiàn)狀

2.1 制孔缺陷的形成機(jī)制

CFRP被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，但其制孔質(zhì)量問(wèn)題仍未能很好解決，嚴(yán)重阻礙了其在航空航天領(lǐng)域高效、高質(zhì)量、低成本的制造。制孔過(guò)程中，在孔出入口極易產(chǎn)生毛刺、分層和撕裂等加工缺陷。制孔缺陷的嚴(yán)重程度是衡量制孔質(zhì)量的重要指標(biāo)。分層本質(zhì)上是層間脫粘失效，其中，撕裂實(shí)質(zhì)上是分層最大化的表現(xiàn)形式。相比于毛刺缺陷而言，分層將嚴(yán)重降低CFRP構(gòu)件使用性能，是造成構(gòu)件報(bào)廢失效的主要原因[1-2]。

孔出入口分層的形成過(guò)程并不相同：孔入口處，順著鉆頭螺旋槽，鉆頭主切削刃對(duì)表層材料產(chǎn)生了軸向剝離分力，由此形成剝離分層；孔出口處，當(dāng)鉆頭即將鉆出孔出口表層材料時(shí)，由于剩余表層材料剛度的下降，在軸向推力作用下形成了分層。實(shí)際表明，孔出口側(cè)的分層遠(yuǎn)大于孔入口側(cè)的剝離分層。

目前，在制孔缺陷形成機(jī)理方面的研究大多致力于分層形成機(jī)制的研究。諸多學(xué)者采用有限元仿真手段，從細(xì)觀角度對(duì)CFRP層合板的切削機(jī)理進(jìn)行了分析，側(cè)面反映了CFRP表層加工缺陷的形成機(jī)理，但難以直觀反映切削區(qū)表層纖維分層的形成過(guò)程。研究表明，CFRP制孔分層缺陷存在顯著的各向異性，孔出口的分層主要以Ⅰ型裂紋為主，而且軸向力是引起分層的主要原因，諸多學(xué)者認(rèn)為存在分層產(chǎn)生的臨界軸向力。自Hocheng等首次基于經(jīng)典板殼理論和線彈性斷裂力學(xué)提出分層產(chǎn)生的臨界軸向力以來(lái)，通過(guò)將軸向力控制在臨界軸向力以內(nèi)來(lái)抑制分層的方法得到了廣泛認(rèn)可。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為單向復(fù)合材料為各向異性材料，假設(shè)分層區(qū)域受均布載荷，根據(jù)大撓度板殼理論和線彈性斷裂力學(xué)，獲得了分層損傷的理論模型；文獻(xiàn)[3]在文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了鉆頭橫刃對(duì)分層損傷的影響，建立了分層臨界軸向力模型。

此外，鉆削溫度對(duì)復(fù)合材料的破壞形式具有重要影響，加工中一旦溫度過(guò)高將導(dǎo)致分層損傷的產(chǎn)生，造成無(wú)法修復(fù)的性能轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致整體性能降低，甚至是報(bào)廢[1]。因此，鉆削溫度亦是影響制孔分層的重要因素。文獻(xiàn)[4]通過(guò)試驗(yàn)和有限元仿真手段分析表明，溫度升高至175℃時(shí)毛刺大量增加，伴有小面積撕裂，溫度升高至275℃時(shí)出現(xiàn)大面積撕裂，分層嚴(yán)重；文獻(xiàn)[5]認(rèn)為隨著鉆削溫度的升高，熱應(yīng)力在幾何邊界層間產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部應(yīng)變，進(jìn)而引起分層；文獻(xiàn)[5]指出鉆削溫度越高樹脂基體的軟黏性越強(qiáng)，分層損傷更易產(chǎn)生；文獻(xiàn)[6]指出當(dāng)制孔溫度高達(dá)298℃時(shí)，孔出口將出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷和大面積撕裂。

實(shí)際上，鉆削溫度也是影響臨界軸向力的重要因素。文獻(xiàn)[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)臨界軸向力閾值在溫度較低或較高時(shí)變化較小，但溫度一旦超過(guò)樹脂基體的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，臨界軸向力的閾值將出現(xiàn)急劇下降，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的分層損傷。然而，縱觀當(dāng)前制孔分層的理論模型可見(jiàn)，大多數(shù)理論模型將最外若干層CFRP簡(jiǎn)單地看成是整體板殼，而且大多數(shù)模型忽略了切削溫度的影響。文獻(xiàn)[3]嘗試在考慮溫度效應(yīng)下根據(jù)大撓度板殼理論和線彈性斷裂力學(xué)建立了分層損傷的臨界軸向力模型，指出溫度的升高將導(dǎo)致臨界軸向力的降低，該模型在室溫條件（23℃）下通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。但實(shí)際上，該模型需要獲取分層損傷發(fā)生處的具體溫度，但由于切削區(qū)測(cè)溫技術(shù)的限制，分層發(fā)生處具體溫度的獲取較為困難。

可見(jiàn)，對(duì)于CFRP制孔分層形成機(jī)制的研究和臨界軸向力的預(yù)判，仍需進(jìn)行更為細(xì)致和深入的研究。

2.2 制孔缺陷的評(píng)價(jià)方法

由于CFRP制孔分層存在顯著的各向異性，單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔分層呈橢圓形，多向疊層復(fù)合材料則呈近似圓形。對(duì)于CFRP制孔分層缺陷具體形態(tài)和大小的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種檢測(cè)手段和評(píng)價(jià)方法。文獻(xiàn)[7]采用氯化金滲透液檢測(cè)方法，指出了CFRP制孔分層隨鉆削深度變化的三維模型；文獻(xiàn)[8]采用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)分析了鉆削制孔分層；文獻(xiàn)[9]采用超聲波掃描技術(shù)分析了鉆削制孔分層；文獻(xiàn)[1]應(yīng)用“研磨觀察法”分析了分層的三維形貌。為了對(duì)制孔分層進(jìn)行數(shù)值表征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出諸多評(píng)價(jià)方法，如采用撕裂長(zhǎng)度的平均值方法、分層因子法、比面積的分層因子法、修正分層因子法，以及綜合評(píng)價(jià)方法等[10]，各種評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)，如表1所示。其中，一維分層因子（Fd）、分層大?。≧d）、等效分層因子（Fed）、最小分層因子（Fdmin）均未能考慮分層面積的貢獻(xiàn)比率，對(duì)于具有相同分層損傷最大半徑（Dmax），但分層面積不同的情形不能適應(yīng)；二維分層因子（Fa）、損傷率（Drat）考慮了分層面積的貢獻(xiàn)率，但忽略了最大裂紋長(zhǎng)度的貢獻(xiàn)率，依然不能很準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)制孔缺陷；修整分層因子（Fda）既考慮了裂紋最大長(zhǎng)度的貢獻(xiàn)率，又考慮了分層面積的貢獻(xiàn)率，但對(duì)于裂紋小而多的情形，由于裂紋面積小而不能很好的評(píng)判；精細(xì)分層因子（F DR）在不同轉(zhuǎn)速下的相關(guān)系數(shù)需要重新獲??；圓環(huán)因子（f）考慮了分層的形狀，但并不適合制孔分層的評(píng)價(jià)。在這些評(píng)價(jià)方法中，一維分層因子（Fd）法最為常用。此外，文獻(xiàn)[9]提出了考慮不同層制孔分層形狀大小的三維分層因子評(píng)價(jià)方法，并通過(guò)超聲C掃描檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證；文獻(xiàn)[11]提出了單向CFRP制孔分層形態(tài)因子F q和Flq，如圖2所示。綜合考慮了不同纖維取向下制孔分層的形態(tài)和大小。

表1 制孔分層評(píng)價(jià)方法Tab.1 Evaluation Methods of the Delamination

圖2 分層形態(tài)因子Fig.2 Form Factors for Delamination

實(shí)際加工中產(chǎn)生的損傷形式具有多樣化、復(fù)雜化，尤其是針對(duì)不同的加工方式，由于加工機(jī)理的不同，其產(chǎn)生的損傷形式將存在差異，而且各種形式的損傷往往伴隨而生。單獨(dú)從一種損傷形式來(lái)評(píng)價(jià)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工質(zhì)量不能全面、精確的評(píng)價(jià)其加工質(zhì)量。到目前為止，對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工質(zhì)量的評(píng)價(jià)缺乏合理、有效的統(tǒng)一方法。而對(duì)加工損傷進(jìn)行合理有效的評(píng)價(jià)是復(fù)合材料構(gòu)件經(jīng)濟(jì)性和可靠性的重要保證。

3 制孔加工工藝及其刀具技術(shù)

在CFRP飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的裝配連接中，往往需要加工大量直徑d≥6mm的孔。針對(duì)制孔過(guò)程中易產(chǎn)生制孔缺陷，刀具快速磨損等問(wèn)題，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在制孔工藝及其專用刀具設(shè)計(jì)優(yōu)化方面進(jìn)行諸多研究。

3.1 制孔工藝

近年來(lái)，研究人員嘗試采用激光加工、電火花切割、高壓水射流加工以及超聲輔助加工等特種加工方法。這些加工技術(shù)大多采用非機(jī)械能去除材料，工件受力很小，無(wú)機(jī)械加工變形，主要用于小孔、異形孔和微孔加工。但存在諸多局限性：激光加工易燒焦復(fù)合材料表面，降低表面加工質(zhì)量；電火花加工需要對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行導(dǎo)電性設(shè)計(jì)，同樣也易導(dǎo)致加工表面被燒焦；高壓水射流加工將導(dǎo)致水流浸入復(fù)合材料內(nèi)部，降低材料性能。此外，特種加工設(shè)備復(fù)制，成本較高。目前，在CFRP結(jié)構(gòu)件的制孔過(guò)程中主要以鉆削、以磨代鉆（套料鉆）、螺旋銑孔等制孔工藝方法為主：（1）鉆削制孔是高效率、低成本的常用方法[12]。但鉆削軸向力大、排屑困難、切削溫度高，制孔缺陷難以徹底規(guī)避，單一的鉆削制孔很難從根本上解決問(wèn)題。為滿足制孔要求，實(shí)際生產(chǎn)中不得不采用“鉆底孔-擴(kuò)孔-鉸孔-锪孔”工藝。（2）套料鉆“以磨代鉆”技術(shù)，其切削去除機(jī)理與傳統(tǒng)鉆削制孔完全不同，而與磨削較為相似。“以磨代鉆”技術(shù)主要由套料鉆內(nèi)、外表面上的超硬磨粒對(duì)材料進(jìn)行磨削，實(shí)現(xiàn)材料去除[1]。能有效降低軸向力影響，降低制孔缺陷，但套料鉆排屑困難，存在動(dòng)不平衡和停機(jī)除屑等問(wèn)題。（3）螺旋制孔技術(shù)利用立銑刀的側(cè)刃去除材料，排屑空間大，一定程度上克服了鉆削的缺點(diǎn)，對(duì)孔徑d≥5mm（包含d≥6mm）的孔具有良好的制孔效果。研究表明與高速鉆孔相比，螺旋銑孔下CFRP分層因子有顯著降低，與傳統(tǒng)鉆孔相比，螺旋制孔的加工質(zhì)量較好，因此，螺旋制孔可有效降低孔出口撕裂和分層。

此外，文獻(xiàn)[13、14]提出了傾斜行星運(yùn)動(dòng)銑或鉆孔工藝，降低制孔缺陷，如圖3所示。文獻(xiàn)[15]提出在CFRP∕Ti螺旋銑孔回程時(shí)進(jìn)行二次螺旋銑孔加工，該工藝實(shí)質(zhì)上是預(yù)先加工出基孔，避免了回程中刀具底刃對(duì)表層材料的整體推力，同時(shí)，極大地減小回程切削量和切削力，在回程螺旋銑孔時(shí)幾乎不產(chǎn)生新的缺陷，完全去除上道工序制孔缺陷，如圖4所示。

圖3 傾斜行星運(yùn)動(dòng)銑或鉆孔工藝及其刀具Fig.3 Tilted Helical Milling or Drilling and Their Drills

圖4 二次螺旋銑孔加工工藝及其刀具Fig.4 Backhaul Orbital Drilling and the Drills

3.2 刀具技術(shù)

CFRP材料高硬度、各向異性和低層間強(qiáng)度等，導(dǎo)致易產(chǎn)生制孔缺陷，刀具磨損快速，阻礙制孔技術(shù)的發(fā)展。實(shí)踐表明，合理選擇刀具材料和設(shè)計(jì)優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)，對(duì)降低制孔缺陷和開發(fā)高效、長(zhǎng)壽命的專用刀具十分有效，是解決CFRP高效精密加工的關(guān)鍵[2]。

針對(duì)CFRP的鉆削，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多種刀具材料進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。主要技術(shù)手段包括：在刀具表面涂覆特殊材料，提高刀具耐磨和使用性能，降低制孔缺陷，提高制孔質(zhì)量；采用適合CFRP加工的新型超硬材料。研究表明，在CFRP材料中，高硬度碳纖維是導(dǎo)致刀具快速磨損的主要原因，金剛石類的刀具對(duì)CFRP制孔缺陷和軸向力等的降低效果明顯。其中，PCD刀具能有效抑制制孔缺陷的形成，有效延長(zhǎng)刀具使用壽命，提高制孔質(zhì)量。PCD刀具已逐步成為CFRP制孔加工中最具潛力的刀具材料之一[1]。

另外，刀具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)系到制孔質(zhì)量、刀具壽命、加工效率等一系列問(wèn)題，尤其是對(duì)避免CFRP制孔分層極為重要，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。研究表明，通過(guò)改變孔出口表層材料的切除方式，能有效抑制制孔缺陷的產(chǎn)生。文獻(xiàn)[12]為增強(qiáng)纖維的剪切效應(yīng)，提出“微元去除”和“反向剪切”的纖維切除方式，有效抑制復(fù)合材料的機(jī)械損傷。此外，還有專家提出“先切后推”的加工方式，先將孔周圍纖維切斷，避免纖維材料之間的牽扯，達(dá)到控制加工缺陷的目的，以及指出正反螺旋刃對(duì)CFRP表層材料具有預(yù)壓應(yīng)力，能有效避免纖維的“避讓”變形，減小加工缺陷。當(dāng)前，針對(duì)CFRP的制孔，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了多種制孔刀具，以在傳統(tǒng)麻花鉆的基礎(chǔ)上衍生的特殊形狀鉆頭最為突出。常見(jiàn)的有階梯鉆、多刃尖鉆、匕首鉆、鋸齒鉆等[1]，如圖5所示。

圖5 CFRP專用鉆頭Fig.5 Special Drills for CFRP

加工缺陷的抑制和刀具耐磨性能的提高是CFRP加工技術(shù)中最具挑戰(zhàn)性的難題。以較佳的加工缺陷控制思路和策略為導(dǎo)向，合理設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)和刃口型式，優(yōu)化刀具幾何參數(shù)，改進(jìn)制孔工藝方法，不但能提高CFRP的制孔質(zhì)量，還能有效延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

4 展望

隨著新一代高模量CFRP的研制和使用，以及航空航天制造技術(shù)對(duì)制孔要求的提高，制孔難度將不斷加大。（1）制孔缺陷嚴(yán)重阻礙CFRP材料的推廣應(yīng)用，其嚴(yán)重程度是制孔質(zhì)量好壞的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于制孔缺陷的形成機(jī)制仍需進(jìn)一步深刻厘清毛刺、分層的形成機(jī)制，建立有效、統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系；（2）制孔工藝方法及其專用制孔刀具的研發(fā)是解決CFRP高效、高質(zhì)量、低成本制孔的關(guān)鍵。對(duì)于制孔新工藝方法的研發(fā)，及其新型制孔刀具的研制仍需進(jìn)一步強(qiáng)化。