高強度型T800S/250F CFRP的制孔缺陷研究*

徐錦泱 蔡曉江 魏瑩瑩 安慶龍 陳 明

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240）

碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）是一種新型的以碳或石墨纖維為增強體的樹脂基復合材料，其密度不到鋼的1/4，而材料的抗拉強度卻在3 500 MPa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23 000～43 000 MPa亦遠高于鋼。CFRP以強度高、比剛度高，耐疲勞性能好及可設計性強等優(yōu)點在航空航天領域獲得了廣泛的應用，已發(fā)展成為繼鋁、鋼、鈦之后的第4大航空航天結構材料之一［1］。目前在世界先進飛機主承力結構件（如飛機蒙皮、壁板、機翼中間梁、機身隔框和艙門等部件）都已大量采用了 CFRP材料［2］。

在CFRP的切削加工中，鉆削是使用最多、應用最廣的加工方式，同時也是航空結構件裝配的最終環(huán)節(jié)［3］。鉆削制孔質量的好壞，直接關系到整個飛機的裝配質量和服役壽命。由于CFRP特有的高強度、高硬度、各向異性以及層間接觸強度低等特點，使其成為一種典型的難加工材料。鉆削加工CFRP時，主要存在以下缺陷:毛刺與撕裂、孔周表面纖維抽出、分層損傷等［4－5］。

本文所研究的是一種新型的以碳纖維T800S為增強相的高強度型碳纖維增強復合材料（T800S/250F），與傳統的以基準型碳纖維T300為增強相的復合材料相比具有更高的強度和硬度（σb≈5 880 MPa，T≈294 GPa，硬度≈255 HRB），切削加工性更差。目前，國、內外學者對于CFRP的研究主要集中在以T300為代表的低強度碳纖維復合材料的切削加工性上［6－8］，相對而言，對于高強度型T800S/250F CFRP的鉆削加工性研究則較少。鑒于此，本文著重研究了T800S/250F層合板鉆削時的毛刺缺陷和分層損傷，進而為其日后的加工應用提供指導作用。

表1 T800S/250F CFRP的組成性質

表2 T800S碳纖維的機械力學性能

1 試驗條件

鉆削試驗在德國DMU70V加工中心上進行，其行程范圍:X為710 mm，Y為520 mm，Z為520 mm，五軸聯動（X、Y、Z、B和C軸）;主軸轉速范圍:0～12 000 r/min;定位精度:0.01 mm。試驗采用單因素法進行設計，取主軸轉速（n）和進給率（f）兩個因素進行考察，其參數范圍為:主軸轉速（n）（6 000～10 000 r/min），進給率（f）（0.01～0.03 mm/r），每個因素在其參數范圍內均劃分為3個水平。選用厚度為2.6 mm的CFRP層合板進行制孔試驗，其碳纖維牌號為Toaray－T800S，基體材料為環(huán)氧樹脂Toray－250F，鋪層結構為:［45°/90°/135°/0°/135°/90°/45°］s，其材料組成性質以及增強碳纖維T800S的機械力學性能如表1和表2所示。

試驗選用直徑均為4.9 mm的CVD金剛石涂層麻花鉆和CVD金剛石涂層匕首鉆進行鉆削加工，其中麻花鉆有2條切削刃，橫刃長度為0.15 mm;匕首鉆具有6條切削刃，且存在長度為0.68 mm的橫刃，試驗所用鉆頭形貌和幾何參數如表3所示。

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采用 KISTLER9272四向壓電式測力儀、KISTLER5017B電荷放大器，以及相應的數據采集與處理系統完成鉆頭鉆削過程中的鉆削力的測量。鉆削完成后采用高精密的KEYENCE VHX－500 FE超景深三維顯微系統完成已加工孔出口毛刺形貌的拍攝并使用其自帶的軟件輔助完成出口制孔分層系數的計算。

2 試驗結果與分析

2.1 毛刺缺陷

CFRP制孔毛刺主要存在孔的出口處，其形成是由于出口處的纖維具有退讓性而沒有被切削刃沿圓周方向切斷而形成的一類缺陷。表4和表5所示為麻花鉆和匕首鉆鉆削CFRP后的出口毛刺形貌圖。由表中可見，兩把鉆頭在鉆削CFRP T800時，制孔出口處主要以I型毛刺為主，該類型毛刺尺寸較大且主要是由纖維束構成，其形成主要是由于刀具在進給運動時，出口外層的纖維為自由表面，沒有約束，在鉆頭后刀面對碳纖維材料推擠作用下少數纖維沿刀具進給方向發(fā)生退讓而未被切掉所產生的一類缺陷。此外，孔出口處毛刺缺陷分布還呈現一定的區(qū)域性，如果定義鉆頭主切削刃的運動方向為正向，纖維方向與切削方向的夾角為纖維角θ，則順剪時纖維角為銳角，逆剪時纖維角為鈍角，而毛刺主要存在于“逆剪區(qū)”，如圖1所示。

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以Hoffman強度準則來判斷，順剪時，碳纖維的剪切強度要比逆剪時低很多。其中，順剪時相當于纖維受到垂直于纖維方向的橫向壓力和沿纖維方向的縱向拉力，逆剪時相當于纖維受到垂直于纖維方向的橫向拉力和沿纖維方向的縱向壓力，逆剪時材料強度值大，故纖維不容易被整齊切斷而形成毛刺缺陷。相比之下，“順剪區(qū)”材料強度值則較小，故而“順剪區(qū)”材料容易被剪斷而無毛刺產生。另一方面，在“逆剪區(qū)”由于切削速度方向與纖維方向的夾角為鈍角，其斷屑方式屬于彎曲剪切型切削，在鉆削過程中，刀具是通過對前端材料的推擠作用而導致復合材料的層間分離。刀具前端材料在刀具作用下發(fā)生彎曲，當彎曲應力達到碳纖維復合材料的彎曲強度極限時，底部發(fā)生斷裂，故導致出口處毛刺呈現出長短不齊的現象。

此外，由表4和表5還可見，在相同鉆削條件下，CVD涂層匕首鉆的制孔表面質量明顯優(yōu)于CVD涂層麻花鉆，CVD涂層匕首鉆在n=10 000 r/min，f=0.01、0.02、0.03 mm/r和n=8 000 r/m，f=0.01 mm/r的切削條件下制孔出口處幾乎沒有毛刺。這是因為毛刺缺陷的最終形成是由鉆頭刃帶的切削作用所決定的。由于匕首鉆在切削刃處涂覆有金剛石涂層，故使得鉆頭具有良好的抗磨減摩能力，在鉆孔時能夠保持鋒利的切削刃，且有6條的螺旋角為0°的刃帶，故副切削刃也更鋒利，在鉆削過程中刃帶對出口纖維的切削作用類似于鉸刀的精切、精修作用，故相對麻花鉆而言，其出口毛刺更少，表面質量更高。相反，同等條件下，CVD涂層麻花鉆無論在中速還是高速切削時出口處均存在嚴重的毛刺缺陷。隨著進給率（f）的增大，兩把鉆頭制孔出口表面質量均越差，出口毛刺呈逐漸增大趨勢;相反，主軸轉速（n）的增大，則有利于毛刺缺陷的減少。

2.2 制孔分層損傷

在CFRP的制孔加工中，分層損傷始終是復合材料制孔加工中的最重要的缺陷之一。由于分層具有不可修復性，在航空制造領域因分層而造成的報廢高達60%以上［9］。在鉆削加工中，分層損傷主要存在于孔的入口和出口處，其中又以孔的出口分層最為嚴重［10］，且試驗過程中，制孔入口分層區(qū)很小，與出口分層區(qū)相比幾乎可以忽略不計。為此，本文著重研究T800S/250F CFRP鉆孔出口處的分層情況。采用一維分層系數（Fd）來對比分析各試驗鉆頭制孔分層情況，該評價方式具有簡單、易實現等優(yōu)點。圖2所示為分層評價示意圖。

其中:Fd為分層系數;Dmax為最大分層直徑;Dnom為名義鉆孔直徑。

圖3和圖4所示為兩把鉆頭的鉆削參數（n和f）與分層系數（Fd）的變化關系。由圖中可見，對于麻花鉆和匕首鉆而言，進給率（f）的增大都將導致分層系數（Fd）的增大，這可以歸因為鉆削軸向力（Fa）的增大。在CFRP制孔過程中出口分層損傷主要是由軸向力（Fa）引起的I型裂紋所造成的孔出口處層與層之間的脫膠現象，Fa越大則由I型裂紋所造成的分層損傷越大。當進給率（f）增大時，鉆頭每轉的切削深度增加，亦即鉆頭每轉一圈所需加工材料的體積增加，克服被加工材料的鉆削抗力也隨之增大，進而導致軸向力（Fa）逐漸增大，加劇了材料的分層損傷，進而使得分層系數（Fd）呈不斷增大的趨勢。相比之下，主軸轉速（n）的提高，則可減小分層系數（Fd），這主要是因為隨著主軸轉速（n）的提高，切削速度（vc）越來越大，致使鉆削過程中切削區(qū)的溫度急劇升高，鉆削中所產生的大量切削熱將會軟化工件材料，使得材料易于切削，進而減小了切削抗力和鉆削軸向力（Fa）。由于軸向力（Fa）減小了，使得鉆削中由I型裂紋所引起的分層損傷得以減輕，故而減小了分層系數（Fd）。

圖5所示為試驗鉆頭鉆削CFRP時軸向力（Fa）與分層系數（Fd）之間的關系曲線。由該圖可見，軸向力（Fa）對分層系數（Fd）有正效應，即隨著Fa的增大分層系數Fd呈增大趨勢。在相同的軸向力（Fa）作用下，匕首鉆的分層系數要遠小于麻花鉆的分層系數。故從降低分層損傷角度分析，應該優(yōu)先選擇CVD涂層匕首鉆來進行T800S/250F CFRP的鉆削加工。

3 結語

通過CVD涂層麻花鉆和CVD涂層匕首鉆進行高強度型T800S/250F CFRP的鉆削試驗，可得到如下結論:

（1）高強度型CFRP在鉆削加工時，制孔出口毛刺分布呈現一定的區(qū)域性，主要存在于“逆剪區(qū)”。試驗鉆頭在高轉速和低進給的切削參數下，均可獲得較小的毛刺缺陷區(qū)。其中，CVD涂層匕首鉆能夠獲得更小的毛刺缺陷區(qū)，其在鉆削參數n=10 000 r/min，f=0.01、0.02、0.03 mm/r以及n=8 000 r/min，f=0.01 mm/r的條件下，制孔出口幾乎沒有毛刺的存在。

（2）兩把鉆頭在鉆削T800S/250F CFRP時，隨著進給率（f）的增大，制孔出口分層系數（Fd）均呈急劇增大趨勢;相反，主軸轉速（n）的增大則有利于分層系數的減小。在相同的軸向力作用下，匕首鉆能夠獲得更小的分層系數，表現出更優(yōu)異的切削性能。從降低分層損傷的角度分析，在鉆削高強型T800S/250F時應該選擇高轉速、低進給參數來進行切削加工。

（3）CVD涂層匕首鉆在鉆削T800S/250F時，制孔出口毛刺缺陷和分層損傷均小于CVD涂層麻花鉆，具有更優(yōu)異的鉆削性能，更適合高強度型CFRP的制孔加工。

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