碳纤维增强复合材料（CFRP）是以碳或石墨纤维为增强体的树脂基复合材料。因其具有比强度、比刚度高，耐疲劳性能好及可设计性强等优点，在航空航天领域中广泛应用，已发展成为继铝、钢、钛之后的第四大航空航天结构材料之一。碳纤维增强复合材料在大飞机上的用量直线上升，历年应用情况见图1。


图1 大型客机复合材料应用情况

    碳纤维增强复合材料在应用过程中往往要与其他结构进行连接，连接是复合材料结构的薄弱环节。据统计，航空航天飞行器中60%~80%的破坏都发生在连接部位。连接中最常采用的机械连接需要先制孔。例如，一架波音747飞机有300多万个连接孔，而美国最先进的F-22战斗机每副机翼要14000个精孔。复合材料是典型的难加工材料，其制孔工艺复杂，对刀具和工艺参数的要求更高。因此，复合材料制孔工艺已成为复合材料应用的关键工艺之一。

    复合材料结构制孔缺陷

    碳纤维增强复合材料是由质软而粘性大的基体材料和强度高、硬度大的碳纤维增强材料混合而成的二相或多相结构，其力学性能呈各向异性，层间强度低，切削时在切削力的作用下容易产生分层、劈裂等缺陷。碳纤维增强复合材料钻削加工中主要存在以下问题：

    （1）材料硬度大，其硬度HRC值可达53~65，相当于一般高速钢的硬度，因而钻孔时钻头磨损很快；

    （2）层间强度低，在钻孔过程中，易产生分层等缺陷；

    （3）属于各向异性材料，钻孔处的应力集中较大，极易引起劈裂等缺陷；

    （4）热导率小，线胀系数和弹性恢复大，钻孔时，存在缩孔现象；

    （5）切屑为粉尘状，对人体健康危害大。

    分层是碳纤维复合材料钻孔的主要缺陷。分层缺陷的大小可以用分层因子（Fd）来表示。分层因子可以用以下公式表示：

        Fd =Dmax/D ，

    其中，Dmax表示最大损伤区域的直径，D 表示孔的实际直径，如图2所示。

图2 分层评价指标

    Hoeheng H等 通过试验分析得出：分层因子Fd 与平均轴向力Fz间存在着线性或分段线性关系：平均轴向力Fz越大，分层因子Fd越大，分层越严重。因此，可以通过平均轴向力的大小以及制孔质量，来评判不同钻削工艺的优劣。

    复合材料钻削刀具

    国外一些著名刀具生产厂商已经开发研制出适合碳纤维增强复合材料钻削加工的专用刀具。如瑞典的山特维克可乐满公司已经研制出适合高纤维CFRP钻孔的专用刀具CoroDrill 854和适合高树脂CFRP钻孔的专用刀具CoroDrill 856，这2种刀具可加工最大直径12.70mm的孔，寿命可以达到钻650个孔（图3）。


图3 山特维克可乐满刀具

 

    德国瓦尔特集团开发的WalterTitex PCD 钻头（图4）是适合多种CFRP复合材料加工的专用钻头，其孔径加工范围为2.0~6.4mm。该刀具能有效减小轴向力，从而减小复合材料的撕裂、分层和毛刺等缺陷，寿命可以达到钻600个孔。另外，美国的肯纳刀具针对碳纤维增强复合材料也研制了复合材料专用钻头SPF。


图4 Walter Titex PCD

    这些国外刀具虽然很好地提高了刀具寿命及钻孔质量，但刀具对机床设备的要求比较高，需要在数控加工中心上应用，且价格昂贵，为同尺寸国产硬质合金刀具的10多倍。

    我国目前还没有钻削碳纤维增强复合材料的专用刀具。复合材料应用部门目前主要采用YG类硬质合金麻花钻，如YG6X、YG8和Y330。这种刀具制造简单，成本低，易于刃磨，对机床设备要求低。但使用寿命低，一般钻削30~40个孔后，就需要进行刃磨。为了提高刀具的使用寿命，一些刀具厂商对刀具进行表面涂层处理，如氮铝化钛涂层和金刚石涂层。

    试验内容

    钻削碳纤维增强复合材料，一般采用高转速和低进给量。本试验采用高速台钻Z4006A，具有1370r/min、3700r/min、6900r/min、10000r/min 四级转速，满足钻削时高转速的要求。为了全面研究各类工艺参数对钻削轴向力和制孔质量的影响，作者对该钻床进行了改进。在钻床上加上步进电机实现钻床自动进给功能，进给量可大范围调整。图5为碳纤维增强复合材料钻削轴向力测量平台示意图。

图5 轴向力测量平台示意图

 

    钻头钻削碳纤维增强复合材料时，产生一个向下的轴向力，Kistler9257A测力仪将力信号转换成电信号，经Kistler5019电荷放大器放大后，由数据采集器和专用测力软件3010DEWE在计算机上形成动态轴向力曲线图，如图6所示（主轴转速n=6900r/min，进给量f=0.01mm/r）。

图6 动态轴向力曲线图

    主要从刀具和钻削参数2方面对复合材料的钻削工艺进行了研究。刀具包含刀具材质和几何参数；钻削参数包含主轴转速和进给量。由于切削液对复合材料的性能有不良的影响，所以在钻削碳纤维增强复合材料时，一般采用干切削的方法。

    试验选用的刀具主要有YG8、Y330 和Y330（涂层），其中涂层为金刚石涂层。3种钻头钻型均为标准麻花钻。钻削材料为4.4mm 厚的碳纤维增强复合材料板，铺层方向：[45/0/-45/90]3S。试验中，为消除钻头磨损的影响，除特别说明外，每支钻头只钻一个孔，为防止出口劈裂，在钻头出口侧垫聚氯乙烯硬塑料板。

 

      碳纤维增强复合材料结构制孔工艺（一）