碳纖維增強復合材料銑削和鉆孔技術研究進展

趙正興 劉傳瑞 龐中強 張玉慶 陳瑩

摘 要：碳纖維增強復合材料是當前應用最廣泛的一類復合材料，具有較強的耐高溫性能、抗腐蝕性能、較低的熱膨脹系數(shù)以及比模量高等一系列特點。本文從纖維方向角和加工參數(shù)與刀具材料兩個方面入手，對碳纖維增強復合材料銑削加工質量的影響因素展開分析，同時對碳纖維增強復合材料銑削加工技術要點和鉆孔技術要點進行深入研究，希望能為相關研究工作的開展提供參考。

關鍵詞：碳纖維增強復合材料；銑削加工技術；鉆孔技術

前言：與傳統(tǒng)的金屬材料相比，碳纖維增強樹脂基復合材料與碳/碳復合材料憑借較高的強度和比模量高等性能，被廣泛的應用到航空航天領域中。但是由于碳纖維增強復合材料自身的脆性較大以及層間剪切強度相對較低，所以在實際的加工過程中往往會出現(xiàn)分層、撕裂或者毛刺等加工缺陷問題。本文針對碳纖維增強復合材料的加工問題，從銑削與鉆孔兩個角度進一步討論碳纖維增強復合材料的加工工藝。

一、碳纖維增強復合材料銑削加工技術要點

（一）碳纖維增強復合材料銑削加工質量的影響因素

碳纖維增強復合材料銑削加工表面質量的高低會直接影響到碳纖維增強復合材料銑削加工工件的實際應用性能，為了有效保障加工工件自身的耐磨性能、抗疲勞性能以及抗腐蝕性能，需要從碳纖維增強復合材料銑削加工質量的影響因入手，深入研究各類影響因素對碳纖維增強復合材料銑削加工質量以及工件裝配精度的關系。通過對相關文獻資料的分析，筆者將碳纖維增強復合材料銑削加工質量的影響因素進行以下總結：第一，纖維方向角。纖維方向角是影響碳纖維增強復合材料銑削加工質量的關鍵性因素之一，相關研究結果表明，纖維方向角處于0～45°之間，碳纖維增強復合材料銑削加工表面質量較好，當纖維方向角處于45°時，其加工表面質量表現(xiàn)最優(yōu)，超過45°時，加工表面質量呈下降趨勢；第二，加工參數(shù)與刀具材料。加工參數(shù)對于碳纖維增強復合材料銑削加工質量的影響規(guī)律如下：隨著進給速度的不斷增大，加工表面的粗糙程度也會隨之增大。隨著切削速度的不斷加快，碳纖維增強復合材料銑削加工表面粗糙程度會隨之減小。

（二）銑削刀具的研究要點

碳纖維增強復合材料在進行切削加工過程中，由于無法采取切削液冷卻操作，所以加工刀具往往會因為切削區(qū)溫度過高而對刀具的使用壽命造成較大的影響，加工工件表面質量以及加工精度也會有所降低。對此，在進行碳纖維增強復合材料銑削加工時，一般會要求刀具材料具有較強的硬度、較好的耐磨性能以及摩擦系數(shù)相對降低等一系列特點，同時刀具刀刃需要保持一定的鋒利，以此來降低碳纖維增強復合材料銑削加工過程中毛刺、分層、崩邊等加工缺陷的出現(xiàn)幾率[1]。從碳纖維增強復合材料銑削刀具的研究現(xiàn)狀來看，應用最為廣泛的一類銑削刀具材料為硬質合金，涂層大多會以低壓化學氣相沉積金剛石涂層為主，一些聚晶金剛石涂層與立方氮化硼涂層等超硬材料也有一定的應用。

（三）銑削力的研究要點

對于碳纖維增強復合材料銑削加工技術中銑削力的研究，主要是利用建立銑削力模型的研究方式開展，通過對切削參數(shù)的合理預測，從而為碳纖維增強復合材料銑削加工質量的控制工作進行有效控制。比如：在實際的銑削力研究過程中，采用經(jīng)驗建模的方法，通過大量的碳纖維增強復合材料銑削力試驗，借助多元線性回歸的方式，科學建立碳纖維增強復合材料高速銑削力經(jīng)驗公式，同時利用方差對銑削力經(jīng)驗公式的可靠性進行驗證[2]。

二、碳纖維增強復合材料鉆孔加工技術要點

（一）超聲振動鉆孔技術

在碳纖維增強復合材料鉆孔加工技術的研究過程中，超聲振動鉆孔技術是一種周期性的脈沖切削技術，與非連續(xù)性的切削技術相比，超聲振動鉆孔技術主要是借助超聲波加工技術和機械加工技術兩者的有效融合，由此形成的一種新型碳纖維增強復合材料鉆孔切削技術。超聲輔助鉆孔技術在實際的碳纖維增強復合材料鉆孔加工過程中，是建立在傳統(tǒng)鉆削機床加工運動的基礎上，通過對旋轉鉆削工具施加超聲振動的方式，實現(xiàn)對碳纖維增強復合材料鉆孔技術的超聲輔助鉆削。此外，與傳統(tǒng)的碳纖維增強復合材料鉆孔技術相比，超聲振動鉆孔技術是一種斷續(xù)切削技術，所以在進行鉆孔排屑時表現(xiàn)的非常及時，從而有效降低切削力以及切削溫度，在改善加工工件表面質量的同時，進一步延長刀具的使用壽命。

（二）螺旋銑孔技術

螺旋銑孔技術是一種新型的碳纖維增強復合材料鉆孔加工技術，在加工過程中一般會利用刀具的自轉，以繞孔中心軸線做公轉運動的方式沿軸向進給，這時刀具中心的運動軌跡會呈現(xiàn)出螺旋線路。與傳統(tǒng)的碳纖維增強復合材料鉆孔技術相比，螺旋銑孔技術具有更多的應用優(yōu)勢，比如：可以有效降低切削力和能夠及時排屑和進行散熱，同時有利于實現(xiàn)對一把刀具進行不同直徑孔的加工，在充分發(fā)揮出刀具加工優(yōu)勢的基礎上，有效降低碳纖維增強復合材料鉆孔加工的生產(chǎn)成本。從當前的碳纖維增強復合材料螺旋銑孔技術的研究來看，為了有效優(yōu)化螺旋銑孔的切削力，可以通過建立纖維方向角切削力機械模型的方式，利用相應曲面的計算法來合理設置切削力系數(shù)。

總結：綜上所述，碳纖維增強復合材料是當前航空航天領域中最為常見的復合材料，碳纖維增強復合材料的加工質量會直接影響到航空器的飛行安全。為了進一步提高碳纖維增強復合材料的加工質量，還需要從碳纖維增強復合材料銑削加工質量的影響因素、銑削刀具的研究要點以及銑削力的研究要點等多個方面進行綜合考慮。只有真正認識到碳纖維增強復合材料的性能優(yōu)勢，才能創(chuàng)造出更大的研究價值。

參考文獻：

[1]劉振旺，秦旭達，田利成.碳纖維增強復合材料與鈦合金鉆孔技術研究進展[J].航空制造技術，2016（17）：71-76.

[2]單晨偉，呂曉波.碳纖維增強復合材料銑削和鉆孔技術研究進展[J].航空制造技術，2016（15）：34-41.