CFRP與合金疊層裝配構(gòu)件制孔的工藝特點分析

王賢鋒

摘 要：碳纖維復(fù)合材料（CFRP）與金屬材料構(gòu)成的性能差異的疊層構(gòu)件在飛機中應(yīng)用廣泛，鉆削是復(fù)合材料/合金疊層構(gòu)件制造過程中工作量最繁重的機械加工工序之一。隨著飛機自動制孔技術(shù)的發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是要求在裝配過程中采用一道工序同時高效加工碳纖維復(fù)合材料和鈦合金以及鋁合金等完全不同性質(zhì)的材料。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料/合金疊層；刀具；涂層；自動制孔

中圖分類號：TH145；TB30l 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0035-02

輕量化、高比強度、高比模量、性能可剪裁、耐腐蝕、耐輻射等優(yōu)勢讓碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）成為航空結(jié)構(gòu)材料的主要發(fā)展方向[1]。CFRP已經(jīng)逐步替代傳統(tǒng)的鋁合金、高強度鋼等金屬材料成為主要的航空結(jié)構(gòu)件材料[2]。美國波音公司B787是世界上第一架采用復(fù)合材料機翼和機身的大型客機，空客公司A350XWB寬體客機和B787一起以機身和機翼均實現(xiàn)復(fù)合材料化成為目前世界上最先進的大型民用客機。復(fù)合材料已成為現(xiàn)代飛機重要的結(jié)構(gòu)材料。飛機裝配越來越多地存在金屬材料（鈦合金、鋁合金等）和復(fù)合材料混合疊層結(jié)構(gòu)的孔加工。[3]

1 復(fù)合材料/合金疊層構(gòu)件鉆削特點

碳纖維復(fù)合材料的碳纖維質(zhì)點硬度非常高，其HRC =53～65，相當于高速鋼的硬度，因此鉆頭的磨損非常嚴重，刀具的壽命非常短[4-5]。用高速鋼麻花鉆鉆削碳纖維復(fù)合材料時，每個鉆頭只能加工2～3個孔，耗刀量非常大。碳纖維復(fù)合材料的切屑為粉末狀，而這些高硬質(zhì)點粉末狀的碳纖維顆粒在鉆削過程中不斷對鉆頭刃口進行磨削作用，使刀具刃口瞬間鈍化，刀具耐用度急劇下降。因此，碳纖維復(fù)合材料切削加工普遍存在著刀具壽命過短，消耗量大的現(xiàn)象，如圖1所示。

鈦合金的硬度大于HB350時切削加工特別困難，小于HB300時則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個方面，關(guān)鍵在于鈦合金本身化學(xué)、物理、力學(xué)性能間的綜合對其切削加工性的影響。變形系數(shù)小，切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大增大，加速刀具磨損。切削溫度高，由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很?。ㄖ幌喈斢?5#鋼的1/5～1/7），切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時產(chǎn)生的熱不易傳出，集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內(nèi)，切削溫度很高。單位面積上的切削力大。主切削力比切鋼時約小20%，由于切屑與前刀面的接觸長度極短，單位接觸面積上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同時，由于鈦合金的彈性模量小，加工時在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損并影響零件的精度。冷硬現(xiàn)象嚴重。由于鈦的化學(xué)活性大，在高的切削溫度下，很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。

目前，復(fù)合材料制孔存在著多種的疊層形式，最常見的疊層構(gòu)件形式有復(fù)合材料/復(fù)合材料疊層、復(fù)合材料/鈦合金疊層、復(fù)合材料和鋁合金疊層。復(fù)合材料/復(fù)合材料疊層需解決復(fù)合材料制孔過程中孔出口撕裂和起毛、孔壁周圍材料發(fā)生分層等缺陷，可采用鉆鉸一體刀進行。復(fù)合材料/鈦合金疊層是兩種切削機理完全不同的難加工材料，其對工藝參數(shù)和刀具要求都不盡相同。在鈦合金鉆削過程中，存在著切削力大，消耗功率高，切削溫度高等特點，對于大的連接孔，一次鉆削成型往往難以實現(xiàn)，往往需采用變參數(shù)的工藝方法結(jié)合“鉆-擴-鉸”的工序過程來實現(xiàn)。復(fù)合材料/鋁合金疊層需特別注意鋁合金毛刺的產(chǎn)生以及鋁屑對復(fù)合材料孔壁的刮傷。

2 復(fù)合材料/合金疊層構(gòu)件制孔方式

飛機復(fù)合材料/合金疊層構(gòu)件制孔方式主要有手工制孔、AUU半自動制孔和自動制孔。對于手工制孔，刀具應(yīng)采用無涂層的硬質(zhì)合金刀具，同時要特別注意擴孔和鉸孔余量。對于ADU半自動制孔，主要用于飛機大厚度大直徑開敞性不好的位置制孔，但是因ADU設(shè)備參數(shù)一般不可調(diào)，對刀具的選擇提出了新的挑戰(zhàn)。對于自動制孔，刀具應(yīng)選用鉆锪一體刀以實現(xiàn)“鉆-擴-鉸-锪”一次性制孔，同時刀具必須滿足長壽命的要求，一般因采用金剛石涂層刀具或PCD刀具。

綜上，CFRP高比強度、高比模量的材料性能對制孔刀具耐磨性提出了較高要求，而CFRP各向異性對制孔刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。高性能CFRP專用制孔刀具必須從刀具結(jié)構(gòu)和刀具表面處理兩個方面進行刀具設(shè)計和制備。為了提高CFRP制孔刀具的耐磨性，提升刀具壽命，需綜合考慮刀具、工藝過程、制孔方式等，同時金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具已成為解決CFRP專用刀具磨損及刀具壽命短的關(guān)鍵技術(shù)。

3 制孔刀具材料及涂層

3.1 制孔刀具材料

鑒于纖維增強復(fù)合材料的難加工特性，用于其加工的鉆頭材料必須具有很好的抗磨損性能。一方面，復(fù)合材料中的纖維一般都具有高硬度的特性，在鉆削過程中充當磨粒的作用，因而，相比于普通金屬材料的切削加工，復(fù)合材料鉆削更易導(dǎo)致鉆頭的磨損；大量研究證實，在鉆削加工纖維增強復(fù)合材料中，后刀面的磨粒磨損是鉆頭最主要的磨損形式[6-7]。另一方面，磨鈍后的切削刃會導(dǎo)致復(fù)合材料在鉆削過程中的分層、纖維抽出等制孔缺陷迅速增多，并使鉆削軸向力增大、鉆削溫度上升[8]。因此，鉆頭材料應(yīng)該選擇抗磨損性能較好的高硬度材料，如硬質(zhì)合金、聚晶金剛石（Polycrystalline diamond，簡稱PCD）材料等。

圖2給出了在不同的切削速度下（進給量f=0.22mm/rev），采用不同磨損狀況的鉆頭加工CFRP時對鉆削軸向力的影響。從圖中可以看出，在切削速度一定時，鉆削軸向力隨著刀具的磨損量的增大而增大；隨著切削速度的提高，刀具的磨損對鉆削軸向力的影響越來越顯著。Kim和Ramulu通過對比試驗研究發(fā)現(xiàn)，在鉆削CFRP/Ti疊層材料時，高速鋼鉆頭比硬質(zhì)合金鉆頭磨損更快[9]。而且采用高速鋼鉆頭加工時，標準麻花鉆與專用鉆頭差別并不大。

目前，用于加工復(fù)合材料的鉆頭材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金和聚晶金剛石（Polycrystalline diamond，簡稱PCD）三種材料。陶瓷材料因其抗機械和熱沖擊性能較差不適合用于加工復(fù)合材料。高速鋼鉆頭因其耐磨性太差、硬度太低等而很少采用。雖然PCD鉆頭具有更長的刀具耐用度，然而PCD材料價格昂貴，限制了其更廣泛的應(yīng)用。相比之下，硬質(zhì)合金鉆頭以其硬度高、耐磨性好以及更好的經(jīng)濟性獲得了更為廣泛的應(yīng)用。

涂層對鉆頭加工性能的影響

3.2 刀具涂層

為改善刀具切削性能，刀具通常需要進行涂層。用于刀具涂層的材料主要有基于鈦元素的涂層（TiC、TiN、TiCN、TiAlN、TiAlON等）、金剛石涂層、以MoS2或CW+C作為外層的自潤滑涂層等[15]。

涂層方法主要有化學(xué)氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）和物理氣相沉積法（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD）兩種方法，但無論是CVD還是PVD都是為了在涂層和基體材料之間建立一個牢固的連接。針對某一種基體，與該基體的粘附力是選擇涂層材料最重要的標準。另外，硬度、熱傳導(dǎo)性等也是選擇涂層材料的標準之一。

對于纖維增強復(fù)合材料的切削加工，最好的涂層材料是金剛石涂層材料。一方面，金剛石的高硬度使其具有優(yōu)于其他任何材料的的抗磨料磨損性能。另一方面，金剛石涂層可以獲得更加鋒利的切削刃使其對復(fù)合材料的加工質(zhì)量能夠穩(wěn)定在一個非常高的水平。另外，一些涂層供應(yīng)商的經(jīng)驗顯示鈷含量在10%以下的細晶硬質(zhì)合金與金剛石的附著效果最好。

4 結(jié)語

纖維增強復(fù)合材料的鉆削加工仍將是21世紀的極富挑戰(zhàn)性的工作。關(guān)于專用鉆頭的設(shè)計、刀具材料和涂層材料的開發(fā)等將對鉆削加工復(fù)合材料的進步具有重要意義。本文綜述了復(fù)合材料/合金疊層構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，加工的幾種方式，加工的特點，及所用的鉆頭材料、涂層的選擇，以期為刀具選擇和設(shè)計提供有益的指導(dǎo)。

參考文獻

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