碳纖維復材制孔及修邊技術的研究與應用

王 聲，肖望東

(陜西飛機工業(yè)有限責任公司 制造工程部，陜西 漢中 723213)

碳纖維復合材料是由有機纖維經(jīng)過一系列熱處理轉化而成、含碳量高于90%的無機高性能纖維，是一種力學性能優(yōu)異的新材料，不但具有碳材料的固有本性特征，而且兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。碳纖維復合材料具有如下顯著優(yōu)點。

1)碳纖維復合材料具有高比強度、高比模量。

比強度與比模量是指材料的強度或模量與密度的比值。對于質(zhì)量要求嚴格的飛行器結構來說，比強度與比模量高的材料是理想的，它能夠改善結構的氣動彈性和提高使用壽命。碳纖維復合材料的比強度是鋼的4.8～7.2倍，比模量是鋼的3.1～4.2倍。

2)碳纖維復合材料破損的安全性能與疲勞性能好。

高強度金屬材料對裂紋非常敏感，而復合材料由于纖維與基體界面起著阻止裂紋擴展的作用，因此具有較高的損傷安全性。此外，復合材料的比疲勞強度高，疲勞應變能力強，約為鋼的2.5倍，鋁的3.3倍。

3)碳纖維復合材料高溫性能好。

常用的航空鋁合金，當工作溫度達到400 ℃時，其彈性模量大幅度下降并趨于零，強度也顯著下降。而碳纖維復合材料在工作溫度400 ℃時，其強度與模量基本保持不變，從而提高了機體材料的高溫性能。

4)碳纖維復合材料制造工藝性能好。

復合材料結構件制造工藝簡單，適合整體成形。凡能用模具制造的復合材料結構件，可采用一次或二次成形，可大大減少零件、緊固件和接頭數(shù)量，并可節(jié)省原材料和工時。用復合材料代替鉚接件可減少零件數(shù)目的1/3，減重效果比較顯著[1]。

1 碳纖維復合材料制孔、修邊常見加工缺陷分析

碳纖維復合材料屬于難切屑加工材料，性能脆，強度高，碳纖維硬度大，導熱性能差，導熱系數(shù)僅為奧氏體不銹鋼的1/5～1/10。硬度大導致刀具磨損快，刀具耐用度低，由于碳纖維的高硬度的各向異性、層間強度低，鉆孔時在切削力作用下加工質(zhì)量難以保證，易產(chǎn)生如下加工缺陷。

1)孔口毛刺?？壮隹趥茸钔鈱?，其內(nèi)部仍存在與表層材料連結，未被完全切斷的表層纖維毛邊，這種現(xiàn)象稱之為毛刺，其方向平行于最外層纖維的鋪層方向。纖維在鉆削過程中受到拉伸或剪切，存在“順剪”“逆剪”區(qū)域，毛刺的分布具有一定區(qū)域性，是復合材料制孔加工最直觀、明顯的特征之一。

2)孔口撕裂。撕裂是發(fā)生在孔出口側最表面一層，由鉆削力作用引起最外層材料與其他層分離并被撕扯掉，出現(xiàn)材料缺失的現(xiàn)象，即撕裂的方向有沿孔出口側最外層纖維方向擴展的趨勢。

3)入口劈裂。鉆削入口處，纖維受到切削刃的推力作用與鉆頭前端未切削的材料之間產(chǎn)生剪切力，使得纖維剝落主切削刃不能全部切斷剝起的纖維，纖維則會形成開裂并沿著表面層纖維的方向擴展，引起撕開型裂紋破壞，產(chǎn)生入口劈裂。這種加工缺陷可以通過合理選擇加工參數(shù)和鉆削刀具來避免。

4)孔壁分層。從復合材料學角度講，分層是指由于層間應力或制造缺陷等引起的復合材料鋪層之間的脫膠分離破壞現(xiàn)象。

5)裂紋。在鉆削過程中有時還會產(chǎn)生因鉆頭切削去除材料后使制造過程中的裂紋暴露在孔壁表面或在鉆削力的作用下粘結碳纖維的樹脂基體開裂，在孔壁表面形成裂紋。

6)縮孔。鉆孔過程中鉆頭與碳纖維復合材料產(chǎn)生大量的摩擦熱和切削熱，這些熱量難以在加過程中通過切屑帶走或以別的方式快速釋放，致使局部切削區(qū)溫度迅速上升，從而導致樹脂粘接能力下降，出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象。

7)孔壁凹坑。在孔壁周圍有時還會出現(xiàn)因鉆削過程中生成的熱量不能及時地散發(fā)出去，使得基體軟化在剪切力的作用下，導致部分材料被刀具帶出，在孔壁周圍形成凹坑缺陷。

8)燒傷。在高轉速、大進給的加工條件下，孔的出口側還存在因鉆削溫度過高而引起的宏觀上纖維顏色變黑、樹脂軟化的“燒傷”現(xiàn)象。

碳纖維復材制孔常見缺陷如圖1所示。

圖1 碳纖維復材制孔常見缺陷圖

2 影響復材制孔和修邊質(zhì)量的加工因素分析

影響復合材料制孔和修邊質(zhì)量的加工因素有如下三大類：加工參數(shù)、鉆削刀具和復合材料組合形式(見圖2)。

圖2 影響加工缺陷的主要因素分析圖

1)加工參數(shù)。

在鉆削加工中加工轉速是影響制孔質(zhì)量的主要因素，加工參數(shù)的合理選擇是減小加工缺陷、獲得良好加工質(zhì)量的一個重要保證。

2)鉆削刀具。

碳纖維復合材料是典型的難加工材料，采用傳統(tǒng)的麻花鉆進行鉆削加工時，由于碳纖維的硬度大，導熱性差，加工中的熱量大部分傳遞到刀具和工件上，刀具的磨損較快，孔的加工質(zhì)量有時不能滿足應用要求。

刀具的材質(zhì)不同，制成刀具的耐磨損程度就不同；鉆頭的幾何形狀不同，在鉆削過程中施加于材料表面的軸向力大小也會發(fā)生變化，加工缺陷的損傷程度也就有所區(qū)別。目前，用于碳纖維復合材料鉆孔的刀具主要有標準硬質(zhì)合金刀具、釬焊PCD刀具、涂層刀具和組合刀具。

3)復合材料的連接組合。

飛機裝配中，復合材料常與金屬結構組合連接，其組合形式種類相對復雜，常見形式如下：復材—復材(如：背鰭內(nèi)部的復材縱梁和復材肋)、復材—鋁合金(如：背鰭底梁與上壁板蒙皮)、復材—鋼(如：背鰭前段與工字梁)。

3 工藝試驗及存在的問題

3.1 常規(guī)工藝試驗

根據(jù)上述內(nèi)容，選用不同材料的疊層、不同加工參數(shù)和不同鉆削刀具進行排列組合式的工藝試驗。具體的工藝試驗形式及內(nèi)容見表1。初次采用的刀具為硬質(zhì)合金刀具及部分PCD涂層的刀具。進行排列組合疊層試驗如圖3所示。

表1 工藝試驗內(nèi)容排列組合表

圖3 進行排列組合疊層試驗圖

通過排列組合式的工藝試驗，初步得出如下結論。

1)硬質(zhì)合金及PCD類材料的刀具均能滿足碳纖維復材制孔、鉸孔及锪窩的質(zhì)量與要求，鉆初孔的轉速與制孔的孔徑關系可參照表2，擴孔與鉸孔的相關工藝參數(shù)可參考表3。

表3 其他工藝參數(shù)表

2)由于碳纖維復材的硬度高，在加工過程中可能會出現(xiàn)刀具磨損的現(xiàn)象，因此在加工過程中，應勤檢查刀具磨損情況，特別是最后的鉸孔階段，直接關系孔的精度，根據(jù)表4對磨損的鉸刀進行刃磨，以保證孔的質(zhì)量。

表4 鉸刀刃磨幾何參數(shù)推薦表

3)在碳纖維復合材料試驗件(含疊層試驗件)上鉆孔時，應在出口面加墊板支承，同時消除夾層間隙；

盡量將鉆孔出口面作為锪窩面，墊板可采用硬鋁板或硬塑料板等具備一定剛度的材料。

4)制孔表面應無過熱跡象。當復合材料孔口表面有變色環(huán)(棕黑色)或有樹脂燒焦的刺激性氣味時，表明表面已過熱。

5)對于疊層材料的制孔，應盡量采用啄鉆的方式加工，對加工至不同材料界面時，盡量放低鉆速或更換相匹配的其他額定工具的風鉆。

6)為保證锪窩的效率與質(zhì)量，锪窩應在消除夾層間隙及安裝垂直限窩器且以刀具旋轉切入方式進行锪窩的前提下，以提高锪窩的合格率(見圖4)。

圖4 碳纖維復材锪窩示意圖

7)碳纖維復材切割、打磨應采用專用的切割機及打磨工具，選擇較高的轉速(≥10 000 r/min)進行，修邊的質(zhì)量能滿足復材裝配對縫的要求(見圖5)。

圖5 碳纖維復材切割示意圖

8)針對碳纖維復材緊固件的機械連接存在電位腐蝕的現(xiàn)象，應優(yōu)先選用高比強度、低電位差、耐熱且抗蝕性高的鈦合金或不銹鋼材料的緊固件進行緊固連接。

9)碳纖維復合材料的定位與夾緊，應盡量采用鈦合金或不銹鋼材料的緊固件或工藝緊固件，禁止采用鍍鎘緊固件或鍍鎘工藝緊固件。制孔過程中，應經(jīng)常用毛刷或蘸三氯乙烷的抹布擦拭鉆頭、擴孔鉆及鉸刀，以去除刀具上積聚的切屑。

3.2 工藝改進試驗

經(jīng)過常規(guī)工藝試驗后，獲取一些關于碳纖維復合材料加工的初步經(jīng)驗。在此基礎上，陜飛公司的項目研究團隊通過集思廣益，群策群力，開展又一輪的討論，決定在常規(guī)試驗的基礎上，對試驗用的設備、工藝裝備進行改進。

首先，將刀具由硬質(zhì)合金的鉆、鉸刀改進成特殊結構的鉆鉸一體式刀具(匕首鉆)及鉆锪一體式刀具。經(jīng)過試驗驗證，效果良好。發(fā)現(xiàn)在不加工藝墊板的前提下，仍能夠加工出高質(zhì)量無缺陷的孔。匕首鉆及制合格孔的示意圖如圖6所示。

圖6 匕首鉆制孔及合格孔外觀示意圖

其次，針對疊層材料不同，對不同鉆速應區(qū)分制造(更換不同額定轉速風鉆)的難題，再結合復合材料加工時粉塵較大、需采用吸塵器除塵的特點，最終將選用鉆吸一體式變速風鉆(見圖7)。預計改進效果良好，不但能解決加工不同疊層材料頻繁變更工具的難題，還能將制孔的效率提升20%。

圖7 變速氣鉆及鉆吸一體式氣鉆示意圖

3.3 存在的問題

上述工藝試驗均采用目視檢查為主的方式檢查孔的表面質(zhì)量，結論以部件廠的檢驗記錄為主。結果顯示，除前期摸索出現(xiàn)的故障孔以外，其余均為合格孔。由于無針對復材內(nèi)部(無損檢測)的檢測設備及缺陷對比試塊，且理化試驗室亦不具備復材內(nèi)部結構檢測的能力，因此碳纖維復材制孔內(nèi)部結構缺陷檢查未能開展。

由于部件廠鉆孔手段以風鉆為主，功率較小，無法鉆制鈦合金(TC4、TC18)等硬度較高的材料試驗件(適合采用機鉸，且亦未鉆制初孔進行擴、鉸孔)，故復材與鋼件的疊層試驗亦未開展。此外，由于缺乏相應的定位夾持裝置，加上受復材板料供給等因素的影響，自動進給鉆制孔試驗亦未開展。最后由于未采購金剛石套料鉆工具，復材大直徑孔(孔徑>12 mm)的加工試驗也未能開展。

4 結語

以碳纖維復合材料為代表的新型航空材料在飛機上的不斷應用是未來航空業(yè)發(fā)展的必然趨勢。隨著未來復材大面積的應用，復材的裝配是不可或缺的環(huán)節(jié)，本試驗就是基于復材裝配的探索性工藝試驗，具有重要的指導意義。但受復材制造條件的限制，僅完成制孔與修邊技術方面的研究工作。針對陜飛公司在碳纖維復合材料方面起步低、技術儲備少等問題，筆者結合技術需求，建議今后的研究方向應向復材結構無損檢測、復材結構件的快速修復、復材結構件的精準裝配領域進行探索。