碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工的缺陷分析

崔西亮，田 彪，王永國

（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072）

0 引言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具備極佳的綜合性能，諸如高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、耐磨、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)良的綜合性能，目前在航空航天、軍工、汽車等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。預(yù)計(jì)2015年我國大飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料用量達(dá)到25%，對(duì)碳纖維的需求量約2 500 t［3］。目前，碳纖維復(fù)合材料大多采用多向鋪層的疊層工藝方式制造成型［4］，在鉆孔加工過程中，由于切削力、切削溫度及材料本身性能影響，加工后孔表面質(zhì)量不易保證，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)分層、撕裂、毛刺等加工缺陷，并且使用傳統(tǒng)刀具材料時(shí)，刀具易磨損，壽命低，而使用PCD刀具鉆削加工碳纖維復(fù)合材料時(shí)，不但能夠獲得良好的加工質(zhì)量，而且刀具壽命長。

本研究提出的鉆削試驗(yàn)采用DM2500M 金相顯微鏡、KEYENCE VHX-1000 三維顯微系統(tǒng)以及DECK?EL MAHO DMU 50 evo linear 五軸加工中心，加工中心的刀具夾持系統(tǒng)為HSK-A63，試驗(yàn)材料為碳纖維增強(qiáng)雙馬樹脂基復(fù)合材料（T300），外形尺寸長200 mm×寬80 mm×厚3.5 mm長方型板材。試驗(yàn)主要分析碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工的主要缺陷分類及原因，以及切削參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響。

1 碳纖維復(fù)合材料孔加工主要缺陷

1.1 孔加工的主要缺陷分類

碳纖維復(fù)合材料在鉆削過程中會(huì)出現(xiàn)各種加工缺陷，其示意圖如圖1所示。

這些缺陷主要可分為兩類缺陷：①孔的尺寸精度、位置精度不合格，圓度超差等幾何缺陷，如孔形不圓、孔的尺寸收縮，這些缺陷在金屬材料制孔中也會(huì)存在；②孔出、入口處的纖維劈裂或撕裂，孔內(nèi)壁周圍材料分層以及孔壁表面的微裂紋等碳纖維復(fù)合材料制孔時(shí)存在的特有缺陷，這也是碳纖維復(fù)合材料制件連接和裝配中導(dǎo)致報(bào)廢的主要原因。

孔口處是這些缺陷出現(xiàn)的主要部位，一般來說鉆孔入口的撕裂、毛刺現(xiàn)象較出口處的撕裂毛刺程度小，碳纖維復(fù)合材料鉆孔出口缺陷主要由撕裂和毛邊兩部分組成；其中撕裂一般比毛邊的尺寸大，而且在構(gòu)件實(shí)際使用中的負(fù)面影響也比較大，所以對(duì)孔口缺陷的研究以撕裂為主。撕裂的形成過程包括兩個(gè)作用階段，即橫刃作用階段和主切削刃作用階段，其中橫刃作用在撕裂形成中占主導(dǎo)成分［5］。毛邊缺陷是指在孔邊緣部分存在的未完全切斷的表層纖維，通常出現(xiàn)在材料表層纖維被切削的孔邊緣部分。

圖1 碳纖維復(fù)合材料加工孔的缺陷示意圖

通過鉆削試驗(yàn)的觀察可見，毛刺缺陷分布呈現(xiàn)一定的區(qū)域性，毛刺、撕裂缺陷照片如圖2所示。根據(jù)碳纖維復(fù)合材料的切削機(jī)理可知，這種區(qū)域性特征是由于切削時(shí)纖維角的不同造成的。從圖2得出，毛刺、撕裂出現(xiàn)的區(qū)域與纖維的角度有很大關(guān)系。碳纖維復(fù)合材料鉆削過程中，假設(shè)“順剪”時(shí)纖維角為銳角，“逆剪”時(shí)纖維角為鈍角，則鉆頭旋轉(zhuǎn)一周，鉆頭主切削刃處于“順剪切”→“逆剪切”→“順剪切”→“逆剪切”的周期性變化。所以“順剪”切削時(shí)，纖維不容易被切斷形成毛刺撕裂缺陷，“逆剪”切削時(shí)，材料容易被切斷，無毛刺或較小毛刺撕裂缺陷產(chǎn)生。

圖2 碳纖維復(fù)合材料鉆孔出口缺陷照片

1.2 鉆孔缺陷的原因分析

1.2.1 鉆削力

在制孔過程中，當(dāng)鉆頭切入復(fù)合材料時(shí)，主切削刃首先使纖維剝開，然后把它切斷，這種剝離對(duì)孔的入口端最外層材料的影響最大，當(dāng)纖維被剝離開時(shí)，鉆頭的切削刃必須同時(shí)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(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生開裂并沿著表面層纖維的取向擴(kuò)展，這正是孔的入口處出現(xiàn)劈裂的原因［6］。

由于鉆削過程中軸向力始終施加在材料表面上，使得復(fù)合材料層壓板各層沿厚度方向依次受到一種拉力，從而在孔壁周圍材料層中產(chǎn)生一定的層間應(yīng)力，這種層間應(yīng)力過大，則易出現(xiàn)分層。同時(shí)在碳纖維復(fù)合材料的鉆削過程中，鉆削力是周期性變化的，周期性變化的軸向力必然使得孔壁周圍材料承受交變應(yīng)力，進(jìn)而增加分層的可能性，一般作用在層合板上的軸向力越大，層間法向拉伸正應(yīng)力就越大，因此出現(xiàn)分層的可能性也就越大。對(duì)碳纖維復(fù)合材料鉆孔在鉆出過程中，隨著待切削材料層不斷減少，鉆孔處剛性不斷下降。當(dāng)鉆頭橫刃首先接觸到外層纖維時(shí)，即相當(dāng)于給這一層材料施加了一個(gè)與其他纖維層分開的推力。由于橫刃具有負(fù)前角而不鋒利，孔出口端最外層纖維不是立即被切斷，而是在軸向力作用下向外退讓，此時(shí)最外層纖維可能與基體撕開，造成出口撕裂［7］。

1.2.2 .刀具的鋒利性

毛刺主要是由于鉆頭的切削刃鋒利性差決定的。切削刃鋒利性差在造成鉆頭切削性能下降的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致鉆削力的增大，所以切削刃的鋒利性差也是造成毛刺、撕裂、劈裂缺陷的主要原因之一。

因此刀具切削刃的鋒利性成為鉆削高質(zhì)量孔主要影響因素；由于PCD刀具的切削刃可以刃磨的很鋒利，很適合加工復(fù)合材料［8-9］。分析試驗(yàn)加工孔的孔壁質(zhì)量大都符合復(fù)合材料的加工質(zhì)量要求，主要缺陷出現(xiàn)在孔出口處，特別在較低轉(zhuǎn)速下孔口毛刺撕裂現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

1.2.3 鉆削溫度

鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，隨著刀具與工件接觸部位的溫度產(chǎn)生并增高，由于纖維、基體兩種組分的熱膨脹系數(shù)不同，在切削過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力，受到熱效應(yīng)的幾何邊界層將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生局部應(yīng)變，從而引起分層撕裂等缺陷，導(dǎo)致刀具的快速磨損，并可能損傷復(fù)合材料的性能［10-11］。

從以上分析可知，鉆削力是影響碳纖維復(fù)合材料制孔質(zhì)量的重要因素，是引起分層缺陷和孔口缺陷的主要原因。在鉆削過程中，鉆削力越大，分層與撕裂的可能性及破壞的范圍越大。

2 切削參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響

2.1 鉆削速度對(duì)孔口缺陷的影響

在使用PCD鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速與孔的出口撕裂、毛刺因子的關(guān)系圖如圖3所示?？梢钥闯觯S著主軸轉(zhuǎn)速的提高，加工孔出口的撕裂與毛刺因子呈下降趨勢(shì)；并可以看出，試驗(yàn)中孔口質(zhì)量在n=10 000 r/min時(shí)出口毛刺、撕裂程度最小；在較低轉(zhuǎn)速下，孔口處的撕裂、毛刺缺陷較大，故用PCD鉆頭加工復(fù)合材料時(shí)宜在中、高速轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，高轉(zhuǎn)速下鉆頭切削刃更易切斷纖維，可以得到更高質(zhì)量的鉆孔。

2.2 進(jìn)給速度對(duì)加工質(zhì)量的影響

在轉(zhuǎn)速為8 000 r/min 的情況下，進(jìn)給速度不同時(shí)，研究者使用PCD鉆頭加工的碳纖維復(fù)合材料孔口形貌圖片如圖4所示。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速與孔出口撕裂、毛刺因子的關(guān)系（vf=200mm/min）

從圖4中可以看出，隨著進(jìn)給速度的增加，孔口的毛刺現(xiàn)象有明顯增大的趨勢(shì)。進(jìn)給速度是影響鉆削軸向力的大小的主要因素，這就說明鉆削軸向力對(duì)鉆孔出口質(zhì)量有較大的影響。通過進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)給速度的變化與加工孔口的毛刺大小變化基本呈正比例關(guān)系。并且通過對(duì)比鉆孔的進(jìn)口與出口形貌可以發(fā)現(xiàn)，鉆孔的入口處幾乎沒有毛刺、撕裂等缺陷，毛刺、撕裂缺陷主要集中在出口部位。

為了進(jìn)一步分析不同加工參數(shù)下孔口的加工質(zhì)量，本研究利用VHX-1000型超景深顯微鏡對(duì)不同加工參數(shù)的制孔出口表面進(jìn)行觀測(cè)，其結(jié)果如圖5所示。

可以看出，隨著進(jìn)給速度增大，孔口處的毛邊現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，不同的加工參數(shù)，加工后的出口表面質(zhì)量亦不同?？卓诘募庸べ|(zhì)量與切削參數(shù)有著密切的關(guān)系。

圖4 不同進(jìn)給速度鉆孔孔口形貌照片（n=8 000 r/min）

圖5 不同進(jìn)給速度鉆孔出口微觀形貌（n=10 000 r/min）

3 結(jié)束語

本研究通過試驗(yàn)主要分析了碳纖維復(fù)合材料孔加工的主要缺陷分類與原因，以及切削參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響，研究結(jié)果表明，孔口處是碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工缺陷出現(xiàn)的主要部位，并呈現(xiàn)一定的區(qū)域性；鉆孔毛刺、撕裂缺陷主要集中在出口部位，入口處幾乎沒有毛刺、撕裂等缺陷；鉆孔孔口處的毛刺、撕裂缺陷受進(jìn)給速度Vf和主軸轉(zhuǎn)速n影響，Vf越大，撕裂、毛刺程度增大；在較低主軸轉(zhuǎn)速下，鉆孔出口質(zhì)量較差，故用PCD 鉆頭加工復(fù)合材料宜在中、高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，高轉(zhuǎn)速下鉆頭切削刃更易切斷纖維，可以得到質(zhì)量更好的鉆孔；高速下毛刺、撕裂現(xiàn)象明顯減少。

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