碳纤维复合材料高质量制孔工艺
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用不同后角ｍ的硬质合金钻头，在厚度为 ５ ｍｍ，含胶量为４０％（体积含量）的碳纤维复合材 料板上进行钻孔实验，钻头的钻出面加塑料垫片， 钻头直径万５，螺旋角ｆｌ＝２３。，顶角１１８。，钻头转速 靠＝１ ４００ ｒ／ｍｉｎ。表２列出了钻头后角对刀具磨损 和钻孔质量的影响。
表２钻头后角对刀具磨损和钻孔质量的影响
第４１卷增刊 ２００９年１２月
南京航空航天大学学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ
Ｖ０１．４１ Ｎｏ．Ｓ Ｄｅｃ．２００９
碳纤维复合材料高质量制孑Ｌ工艺
魏 威 韦红金
（南京航空航天大学无人机研究院，南京，２１００１６）
ｉ７＿百再西西骊．最大 孔最大钻头径向钻头磨损
万方数据
１１８
南京航空航天大学学报
第４ｌ卷
由表２可以看出，当钻头后角嘶为２５，３０。时，其
制出的孔周围分层和毛刺均大，而用后角啦为１３，
２０。的钻头钻孔，孔的质量能得到保证，且钻头磨
损小。
２．３钻头转速实验
选用硬质合金钻头，在厚度为５ ｆｉｌｍ，含胶量
复合材料成型后，多数情况下尚须进行一定的 机械加工，以满足装配、连接等要求。可以认为，机 械加工是复合材料制件的最后工序。其质量的好 坏，直接关系到复合材料制件，以致整个飞机的质
爨＼嘲匠蒌＃如聪
１９５０
１９６０
１９７０
１９８０ １９９０ 酋飞时间／年
２０００ ２０１０ ２０２０
图１ 国外大飞机复合材料用量示意图
钻头
钻头参数
材料 螺旋角／（。）横刃长／ｒａｍ
Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ ２５．５
０．７
分层 ／
钻头径同 磨损／ｒａｍ
Ｏ．０１８
Ｃ０５Ｓｉ Ｙ３３３
０．７ １．２
１．７０ ０．３３
０．０１０ ０．００５
纹
图４分层机理示意图
裂纹
钻削时，随着刀具与工件接触部位的温度产生 并增高，由于纤维、基体两种组分的热膨胀系数不 同，在切削过程中产生热应力，受到热效应的几何 边界层将会导致应力集中，产生局部应变，从而引 起分层‘”。钻削温度为梯度分布其有效作用范围很 小，只集中在切削刃附近；且其作用时间也很短，所以 与钻削力相比，钻削温度对分层的影响要小得多。
万方数据
１１６
南京航空航天大学学报
第４１卷
在研制过程中就将复合材料制孔作为一项关键性
制造技术进行攻关。
由于复合材料与传统材料的特点不同，它是由
纤维和基体组成的二相或多相结构，是非均质和各
向异性的，且碳纤维的硬度很高，所以复合材料的
机械加工与金属材料有着本质的区别，因此不能将
加工传统材料的经验和知识直接应用于复合材料
钻孔出口面加垫板，可减小出口撕裂和分层。 垫板材料可选用硬塑料板、夹布木板或硬铝板 等嗍。图５为钻孔时分层影响因素框图。
由表１可以看出用常规材料Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ，Ｃ０５Ｓｉ 的钻头加工碳复合材料，钻头磨损相当严重，且钻 孔的周围复合材料分层量大，最大可达３·５ ｍｍ， 而采用硬质合金钻头来加工，钻头的磨损情况大大 下降，而且孔的质量好，其孔周围复合材料的分 层仅为０．３ ｍｍ左右。 ２．２钻头后角选择实验
碳纤维复合材料孔的缺陷的表现在多方面： （１）孑Ｌ出口撕裂和起毛；（２）人口劈裂；（３）孔壁周围 材料发生分层；（４）孔壁表面粗糙及微裂纹；（５）孔 形不圆及尺寸误差等，如图２所示。
孔壁表面：①粗糙度 ②微裂纹
白
负面影响也比较大，所以对孔出１３缺陷的研究以撕 裂为主。撕裂和毛边均发生在孔出１３侧的最表面一 层，且撕裂沿孔出１３侧最外层纤维方向伸展。出口 缺陷是碳纤维复合材料钻削加工常见的缺陷之一， 也是最直观的缺陷之一，出口缺陷的有无及大小常 可代表制孔质量的高低。
表４进给量对钻孔质量的影响
迸给量／． 径向分层／最大毛刺／最大上偏差／７孔相差
ｔｍｍ‘ｒ‘Ｊ
ｍｍ
ｍｍ
ｍｍ
由表４可以看出，进给量选在０．００８～０．０２０ ｍｍ／ｒ范围内，所钻孔分层较小，毛刺较少。
３结
论
碳纤维复合材料的孔加工质量问题能否解决 直接关系生产过程中的生产效率和生产成本。综合 上述分析及实验，得出以下结论：
量。连接孔的加工质量直接关系到飞机的装配质量 和飞机寿命。且通常孔的加工数量庞大，例如一架 Ｆ一１６战斗机有２４万多个连接孔，一架波音７４７飞 机有３００多万个连接孔。美国最先进的Ｆ一２２战斗机
收稿日期：２００９—０５—２１；修订日期：２００９－０８—０３ 作者简介：魏威，男，助理研究员，１９７５年１０月生，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗ—ｒａｂｂｉｔ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ。
（ａ）横州钻出瞬间撕裂
口：①撕裂 ②毛边
１＼＿－１１１壁型璺塑塑！坌星
－。－。。●。＿－。。＿－●。●。。。。。。。。－。。’。。。。。。。。。。一
孔径：①尺寸误差Ｉ
②圆度误差Ｉ
图２碳纤维复合材料孔加工缺陷
１．１ 孔出口撕裂和起毛 孔出口缺陷包括撕裂和毛边等两种。撕裂比毛
边的尺寸大，对碳纤维复合材料构件实际使用中的
图５分层影响因素
２实
验
２．１钻头材料选择实验 用不同材料的钻头，在厚度为５ ｍｍ，含胶量为
４０Ｚ（体积含量）的碳纤维复合材料板上进行钻孔
实验，钻头的钻出面加塑料垫片，钻头直径黟５，后
角１３ａ，钻头转速咒＝１ ４００ ｒ／ｒａｉｎ。表１列出了不同
钻头材料钻孔对钻头径向磨损和钻孔质量的影响。
表１不同钻头材料对钻头径向磨损和钻孔质量的影响
摘要：制孔质量是导致碳纤维复舍材料产品报废的重要因素。本文从机械加工的角度，论述了碳纤雏复材产品制
孔工艺过程中的主要缺陷及其形成机理。为解决这些缺陷，根据其形成机理，设计了相关对比工艺试验。在试验 验证的基础上，提出了碳纤维复合材料高质量制孔的工艺参数． 关键词：碳纤维复合材料；钻孔．孑Ｌ缺陷；工艺参数
坏是钻削加工最主要的缺陷之一，也是一直困扰实 际生产的大问题。据文献［４３介绍，分层是组装过程 中导致报废的最主要原因。
造成碳纤维复合材料孔加工分层的主要原因 有两个，一个是钻削力，一个是钻削热。碳纤维复合 材料孔加工分层往往是这两种原因综合作用造成 的，但钻削力的作用占绝对主要成分。
当轴向钻削力作用在碳纤维复合材料板表面 时，纤维层之间产生的产内应力若达到或超过纤维 层之间树脂的强度，则纤维层将由于树脂的断裂而 产生分层。通常可以用３种不同型式对固体中的裂 纹施加应力（图４）［５］：垂直应力造成“张开型”即１型 裂纹，面内剪切应力造成“滑开型”即ＩＩ型裂纹，面 外剪切应力造成“撕开型”即ｎＩ型裂纹。
钻孔出口撕裂形成过程包括两个作用阶段即 横刃作用阶段和主切削刃作用阶段，由于横刃是负 前角切削，轴向力的５０％以上集中在横刃，所以在 横刃和主切削刃两者中，横刃的作用占主导成分。 据观察，在横刃钻出的瞬时，撕裂长度已达最终撕 裂长度的６０％～７０％以上。图３（ａ）为横刃钻出瞬 间的撕裂情况照片，图３（ｂ）为钻削后最终撕裂情 况照片。从这两张照片可以清楚地看到这一点。孔 出口缺陷除撕裂外，在表层纤维被“顺向”切削部 分，还经常存在起毛缺陷；而在表层纤维被“逆向” 切削部分，一般较整洁。
为４０％（体积含量）的碳纤维复合材料板上进行钻
孔实验，钻头的钻出面加塑料垫片，钻头直径ｊ２ｆ５，
螺旋角卢＝２３。，顶角１１８。，钻头转速押＝１ ４００
ｒ／ｒａｉｎ，进给量，．＝０．０８３ ｍｍ／ｒ。每组钻１０个孔。表
３列出了钻头转速对钻孑Ｌ质量和钻头磨损的影响。
表３钻头转速对钻孔质量和钻头磨损的影响
由于复合材料具有比强度高、比刚度大、可设 计性强及良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性等其他传 统材料不可比拟的优越性质，因此在航空领域得到 广泛应用。复合材料在飞机上的用量和应用部位已 成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。图１为 国外复合材料在大飞机的应用状况，从中可以看出 复合材料在飞机上的应用与日俱增，以波音７８７为 例，其复合材料构件重量约占全机结构重量的 ５０％。目前复合材料不仅在大飞机制造上得到广泛 应用，而且在各型号无人机制造上的应用也呈快速 增长趋势。
ｎ／
最大分最大毛
孔精度／ｍｍ
钻头磨损
（ｒ·ｒａｉｎ－１）层／ｍｍ刺／ｒａｍ最大上偏差１０孔相差ＶＢ／ｍｍ
从表３可以看出，用高速钻孔分层小，且孔的 质量较好，但是高转速钻头的磨损较快。因此，在选 择转速时，要考虑钻孔质量和钻头磨损的大小。 ２．４进给量实验
选用硬质合金钻头，嘶＝２０。，钻头直径黟５，螺 旋角ｐ＝２３。，顶角１１８。，钻头转速ｎ＝１ ４００ ｒ／ｍｉｎ， 采用不同的进给量，在厚度为５ ｍｍ，含胶量为 ４０％（体积含量）的碳纤维复合材料板上进行钻孔 实验，钻头的钻出面加塑料垫片，每组钻７个孔。表 ４列出了进给量对钻孔质量的影响。
（１）普通的碳素工具钢、高速钢作为钻头材料 已经不能满足使用要求，采用硬质合金作为钻头材 料能达到良好的效果，如有条件使用ＰＣＤ钻头可 得到更佳的效果。
（２）可以通过对钻头工作参数的选择，达到较 理想的孔加工质量。钻头后角为１３，２０。，顶角１１８。 时钻孑Ｌ分层较少，毛刺较少，且钻头磨损量小。
（３）可以通过对钻削参数进行选择，达到较理 想的孔加工质量。进给量在０．００８～０．０２ ｍｍ／ｒ之 间，转速在１ ４００～１ ５００ ｒ／ｒａｉｎ之间时钻孔分层较 少，毛刺较少，且钻头磨损量小。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
的加工，如在复合材料制孔时采用传统的钻削金属
的方法将产生较多的问题。
碳纤维复合材料的孔加工质量是生产中一个
极其重要的问题，制孑Ｌ时任何质量问题都会形成产
品的缺陷，导致零件报废。据统计，飞机在最后组装
时，制孔不合格率要占全部复合材料零件报废率的
６０％以上［１］。
，
本文从机械加工的工艺角度，论述了碳纤维复
（ｂ）钻削后最终撕裂
囝３孔出口撕裂情况照片
１．２分层 分层是指由层间应力或制造缺陷等引起的复
合材料铺层之间的脱胶分离破坏现象。在碳纤维复 合材料钻孔过程中，孔壁周围材料出现层间分离破
万方数据
增刊
魏威，等：碳纤维复合材料高质量制孔工艺
１１７
一——————————————————————————————————————————————————————————一
合材料孑Ｌ加工过程中的主要缺陷，针对这些缺陷，
作者设计了相关工艺实验方案，并进行了对比试
验，在此基础上提出基于碳纤维复合材料高质量制
孑Ｌ的工艺参数。
１ 碳纤维复合材料孔加工过程中的 主要缺陷［１。６］
碳纤维复合材料属于难切削加工材料，它性 脆、强度高、碳纤维硬度大导热能力差，导热系数只 为奥氏体不锈钢的１／５～１／ｌＯ。碳纤维的高硬度使 得刀具磨损快、刀具耐用度低。另外碳纤维复合材 料各向异性，层间强度低，钻孔时在切削力作用下 容易产生加工缺陷，加工质量难以保证。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒ ｆｏｒ ｓｃｒａｐｐｉｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｆｏｒｍｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓ— ｐｅｃｔ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｔｅｓｔｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔｓ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｑｕａｌｉｔｙ ｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ｃａｒ— ｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｈｏｌｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ
中图分类号：ＴＧ３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５．２６１５（２００９）增刊一０１１５－０４
Ｈｉｇｈ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｈｏｌｅ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
Ｗｅｉ Ｗｅｉ，Ｗｅｉ Ｈｏｎｇｊｉｎ
（Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｉｒｃｒａｆｔ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ。 Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
表２钻头后角对刀具磨损和钻孔质量的影响
第４１卷增刊 ２００９年１２月
南京航空航天大学学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ
Ｖ０１．４１ Ｎｏ．Ｓ Ｄｅｃ．２００９
碳纤维复合材料高质量制孑Ｌ工艺
魏 威 韦红金
（南京航空航天大学无人机研究院，南京，２１００１６）
ｉ７＿百再西西骊．最大 孔最大钻头径向钻头磨损
万方数据
１１８
南京航空航天大学学报
第４ｌ卷
由表２可以看出，当钻头后角嘶为２５，３０。时，其
制出的孔周围分层和毛刺均大，而用后角啦为１３，
２０。的钻头钻孔，孔的质量能得到保证，且钻头磨
损小。
２．３钻头转速实验
选用硬质合金钻头，在厚度为５ ｆｉｌｍ，含胶量
复合材料成型后，多数情况下尚须进行一定的 机械加工，以满足装配、连接等要求。可以认为，机 械加工是复合材料制件的最后工序。其质量的好 坏，直接关系到复合材料制件，以致整个飞机的质
爨＼嘲匠蒌＃如聪
１９５０
１９６０
１９７０
１９８０ １９９０ 酋飞时间／年
２０００ ２０１０ ２０２０
图１ 国外大飞机复合材料用量示意图
钻头
钻头参数
材料 螺旋角／（。）横刃长／ｒａｍ
Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ ２５．５
０．７
分层 ／
钻头径同 磨损／ｒａｍ
Ｏ．０１８
Ｃ０５Ｓｉ Ｙ３３３
０．７ １．２
１．７０ ０．３３
０．０１０ ０．００５
纹
图４分层机理示意图
裂纹
钻削时，随着刀具与工件接触部位的温度产生 并增高，由于纤维、基体两种组分的热膨胀系数不 同，在切削过程中产生热应力，受到热效应的几何 边界层将会导致应力集中，产生局部应变，从而引 起分层‘”。钻削温度为梯度分布其有效作用范围很 小，只集中在切削刃附近；且其作用时间也很短，所以 与钻削力相比，钻削温度对分层的影响要小得多。
万方数据
１１６
南京航空航天大学学报
第４１卷
在研制过程中就将复合材料制孔作为一项关键性
制造技术进行攻关。
由于复合材料与传统材料的特点不同，它是由
纤维和基体组成的二相或多相结构，是非均质和各
向异性的，且碳纤维的硬度很高，所以复合材料的
机械加工与金属材料有着本质的区别，因此不能将
加工传统材料的经验和知识直接应用于复合材料
钻孔出口面加垫板，可减小出口撕裂和分层。 垫板材料可选用硬塑料板、夹布木板或硬铝板 等嗍。图５为钻孔时分层影响因素框图。
由表１可以看出用常规材料Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ，Ｃ０５Ｓｉ 的钻头加工碳复合材料，钻头磨损相当严重，且钻 孔的周围复合材料分层量大，最大可达３·５ ｍｍ， 而采用硬质合金钻头来加工，钻头的磨损情况大大 下降，而且孔的质量好，其孔周围复合材料的分 层仅为０．３ ｍｍ左右。 ２．２钻头后角选择实验
碳纤维复合材料孔的缺陷的表现在多方面： （１）孑Ｌ出口撕裂和起毛；（２）人口劈裂；（３）孔壁周围 材料发生分层；（４）孔壁表面粗糙及微裂纹；（５）孔 形不圆及尺寸误差等，如图２所示。
孔壁表面：①粗糙度 ②微裂纹
白
负面影响也比较大，所以对孔出１３缺陷的研究以撕 裂为主。撕裂和毛边均发生在孔出１３侧的最表面一 层，且撕裂沿孔出１３侧最外层纤维方向伸展。出口 缺陷是碳纤维复合材料钻削加工常见的缺陷之一， 也是最直观的缺陷之一，出口缺陷的有无及大小常 可代表制孔质量的高低。
表４进给量对钻孔质量的影响
迸给量／． 径向分层／最大毛刺／最大上偏差／７孔相差
ｔｍｍ‘ｒ‘Ｊ
ｍｍ
ｍｍ
ｍｍ
由表４可以看出，进给量选在０．００８～０．０２０ ｍｍ／ｒ范围内，所钻孔分层较小，毛刺较少。
３结
论
碳纤维复合材料的孔加工质量问题能否解决 直接关系生产过程中的生产效率和生产成本。综合 上述分析及实验，得出以下结论：
量。连接孔的加工质量直接关系到飞机的装配质量 和飞机寿命。且通常孔的加工数量庞大，例如一架 Ｆ一１６战斗机有２４万多个连接孔，一架波音７４７飞 机有３００多万个连接孔。美国最先进的Ｆ一２２战斗机
收稿日期：２００９—０５—２１；修订日期：２００９－０８—０３ 作者简介：魏威，男，助理研究员，１９７５年１０月生，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗ—ｒａｂｂｉｔ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ。
（ａ）横州钻出瞬间撕裂
口：①撕裂 ②毛边
１＼＿－１１１壁型璺塑塑！坌星
－。－。。●。＿－。。＿－●。●。。。。。。。。－。。’。。。。。。。。。。一
孔径：①尺寸误差Ｉ
②圆度误差Ｉ
图２碳纤维复合材料孔加工缺陷
１．１ 孔出口撕裂和起毛 孔出口缺陷包括撕裂和毛边等两种。撕裂比毛
边的尺寸大，对碳纤维复合材料构件实际使用中的
图５分层影响因素
２实
验
２．１钻头材料选择实验 用不同材料的钻头，在厚度为５ ｍｍ，含胶量为
４０Ｚ（体积含量）的碳纤维复合材料板上进行钻孔
实验，钻头的钻出面加塑料垫片，钻头直径黟５，后
角１３ａ，钻头转速咒＝１ ４００ ｒ／ｒａｉｎ。表１列出了不同
钻头材料钻孔对钻头径向磨损和钻孔质量的影响。
表１不同钻头材料对钻头径向磨损和钻孔质量的影响
摘要：制孔质量是导致碳纤维复舍材料产品报废的重要因素。本文从机械加工的角度，论述了碳纤雏复材产品制
孔工艺过程中的主要缺陷及其形成机理。为解决这些缺陷，根据其形成机理，设计了相关对比工艺试验。在试验 验证的基础上，提出了碳纤维复合材料高质量制孔的工艺参数． 关键词：碳纤维复合材料；钻孔．孑Ｌ缺陷；工艺参数
坏是钻削加工最主要的缺陷之一，也是一直困扰实 际生产的大问题。据文献［４３介绍，分层是组装过程 中导致报废的最主要原因。
造成碳纤维复合材料孔加工分层的主要原因 有两个，一个是钻削力，一个是钻削热。碳纤维复合 材料孔加工分层往往是这两种原因综合作用造成 的，但钻削力的作用占绝对主要成分。
当轴向钻削力作用在碳纤维复合材料板表面 时，纤维层之间产生的产内应力若达到或超过纤维 层之间树脂的强度，则纤维层将由于树脂的断裂而 产生分层。通常可以用３种不同型式对固体中的裂 纹施加应力（图４）［５］：垂直应力造成“张开型”即１型 裂纹，面内剪切应力造成“滑开型”即ＩＩ型裂纹，面 外剪切应力造成“撕开型”即ｎＩ型裂纹。
钻孔出口撕裂形成过程包括两个作用阶段即 横刃作用阶段和主切削刃作用阶段，由于横刃是负 前角切削，轴向力的５０％以上集中在横刃，所以在 横刃和主切削刃两者中，横刃的作用占主导成分。 据观察，在横刃钻出的瞬时，撕裂长度已达最终撕 裂长度的６０％～７０％以上。图３（ａ）为横刃钻出瞬 间的撕裂情况照片，图３（ｂ）为钻削后最终撕裂情 况照片。从这两张照片可以清楚地看到这一点。孔 出口缺陷除撕裂外，在表层纤维被“顺向”切削部 分，还经常存在起毛缺陷；而在表层纤维被“逆向” 切削部分，一般较整洁。
为４０％（体积含量）的碳纤维复合材料板上进行钻
孔实验，钻头的钻出面加塑料垫片，钻头直径ｊ２ｆ５，
螺旋角卢＝２３。，顶角１１８。，钻头转速押＝１ ４００
ｒ／ｒａｉｎ，进给量，．＝０．０８３ ｍｍ／ｒ。每组钻１０个孔。表
３列出了钻头转速对钻孑Ｌ质量和钻头磨损的影响。
表３钻头转速对钻孔质量和钻头磨损的影响
由于复合材料具有比强度高、比刚度大、可设 计性强及良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性等其他传 统材料不可比拟的优越性质，因此在航空领域得到 广泛应用。复合材料在飞机上的用量和应用部位已 成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。图１为 国外复合材料在大飞机的应用状况，从中可以看出 复合材料在飞机上的应用与日俱增，以波音７８７为 例，其复合材料构件重量约占全机结构重量的 ５０％。目前复合材料不仅在大飞机制造上得到广泛 应用，而且在各型号无人机制造上的应用也呈快速 增长趋势。
ｎ／
最大分最大毛
孔精度／ｍｍ
钻头磨损
（ｒ·ｒａｉｎ－１）层／ｍｍ刺／ｒａｍ最大上偏差１０孔相差ＶＢ／ｍｍ
从表３可以看出，用高速钻孔分层小，且孔的 质量较好，但是高转速钻头的磨损较快。因此，在选 择转速时，要考虑钻孔质量和钻头磨损的大小。 ２．４进给量实验
选用硬质合金钻头，嘶＝２０。，钻头直径黟５，螺 旋角ｐ＝２３。，顶角１１８。，钻头转速ｎ＝１ ４００ ｒ／ｍｉｎ， 采用不同的进给量，在厚度为５ ｍｍ，含胶量为 ４０％（体积含量）的碳纤维复合材料板上进行钻孔 实验，钻头的钻出面加塑料垫片，每组钻７个孔。表 ４列出了进给量对钻孔质量的影响。
（１）普通的碳素工具钢、高速钢作为钻头材料 已经不能满足使用要求，采用硬质合金作为钻头材 料能达到良好的效果，如有条件使用ＰＣＤ钻头可 得到更佳的效果。
（２）可以通过对钻头工作参数的选择，达到较 理想的孔加工质量。钻头后角为１３，２０。，顶角１１８。 时钻孑Ｌ分层较少，毛刺较少，且钻头磨损量小。
（３）可以通过对钻削参数进行选择，达到较理 想的孔加工质量。进给量在０．００８～０．０２ ｍｍ／ｒ之 间，转速在１ ４００～１ ５００ ｒ／ｒａｉｎ之间时钻孔分层较 少，毛刺较少，且钻头磨损量小。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
的加工，如在复合材料制孔时采用传统的钻削金属
的方法将产生较多的问题。
碳纤维复合材料的孔加工质量是生产中一个
极其重要的问题，制孑Ｌ时任何质量问题都会形成产
品的缺陷，导致零件报废。据统计，飞机在最后组装
时，制孔不合格率要占全部复合材料零件报废率的
６０％以上［１］。
，
本文从机械加工的工艺角度，论述了碳纤维复
（ｂ）钻削后最终撕裂
囝３孔出口撕裂情况照片
１．２分层 分层是指由层间应力或制造缺陷等引起的复
合材料铺层之间的脱胶分离破坏现象。在碳纤维复 合材料钻孔过程中，孔壁周围材料出现层间分离破
万方数据
增刊
魏威，等：碳纤维复合材料高质量制孔工艺
１１７
一——————————————————————————————————————————————————————————一
合材料孑Ｌ加工过程中的主要缺陷，针对这些缺陷，
作者设计了相关工艺实验方案，并进行了对比试
验，在此基础上提出基于碳纤维复合材料高质量制
孑Ｌ的工艺参数。
１ 碳纤维复合材料孔加工过程中的 主要缺陷［１。６］
碳纤维复合材料属于难切削加工材料，它性 脆、强度高、碳纤维硬度大导热能力差，导热系数只 为奥氏体不锈钢的１／５～１／ｌＯ。碳纤维的高硬度使 得刀具磨损快、刀具耐用度低。另外碳纤维复合材 料各向异性，层间强度低，钻孔时在切削力作用下 容易产生加工缺陷，加工质量难以保证。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒ ｆｏｒ ｓｃｒａｐｐｉｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｆｏｒｍｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓ— ｐｅｃｔ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｔｅｓｔｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔｓ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｑｕａｌｉｔｙ ｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ｃａｒ— ｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｈｏｌｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ
中图分类号：ＴＧ３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５．２６１５（２００９）增刊一０１１５－０４
Ｈｉｇｈ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｈｏｌｅ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
Ｗｅｉ Ｗｅｉ，Ｗｅｉ Ｈｏｎｇｊｉｎ
（Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｉｒｃｒａｆｔ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ。 Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，Ｃｈｉｎａ）