碳纤维复合材料不同制孔工艺技术的探究

碳纤维复合材料不同制孔工艺技术的探究

发表时间：2019-06-24T15:19:34.440Z 来源：《中国西部科技》2019年第8期作者：徐斯斯

[导读] 在科学技术水平不断提升的影响下，许多新的技术、材料被研发出来，在应用的过程中应用性能和应用优势较为明显。碳纤维复合材料就是一种新型材料，重量轻、性能好，在航空航天领域应用的比较广泛。飞机在制造的过程中，钻孔是制造过程中的最后一道工序，将所有结构连接在一起。但是碳纤维复合材料在钻孔的过程中容易出现分层的现象，这就会对整体结构的质量和稳定性造成影响。需要结合实际情况，采取科学的制孔工艺，来保证钻孔质量

航空工业哈飞工程技术部

碳纤维复合材料的应用可以减少能源的消耗，提升飞机整体的应用效果，而且在后续维修的过程中也不用投入大量的资金。飞机不同部位在装配的过程中，都需要进行制孔才能进行连接，如果应用传统的制孔工作，则容易出现毛刺、撕裂，表面不平整，影响连接和装配的有效性。为了避免这种情况的出现，则需要将现代化科学技术融入到制孔工作中，对制孔工艺技术进行改进和创新，确保可以满足飞机的制造要求，提升整体结构的稳定性。

一、轴向力模型的制作

复合材料分层主要分为两类，一是入口的剥离分层，主要由于钻削过程中，沿刀具螺旋槽斜面会产生一个轴向剥离的力，使纤维材料在外缘方向上发生分层；二是出口的推出分层，也是复合材料分层最严重的部分，此类分层的产生是源于复合材料钻削加工过程中，随着刀具接近出口平面，未切削层厚度减小，所承受轴向推力也逐渐减小，一旦轴向推力超过临界轴向力，则会发生分层现象。

1、麻花钻（无预制孔）轴向力模型

传统麻花钻钻削复合材料时，基于轴向力的制孔分层圆板模型。在此模型中，复合材料层压板呈现出弹性和各向同性等性能，根据线弹性断裂力学，对钻削能量平衡进行计算

2、预制孔钻削加工轴向力模型

有预制孔的复合材料层合板在钻削加工时，对分层轴向力模型，在已有预制孔的情况下，对麻花钻制孔裂纹扩展时轴向推力进行计算。

3、阶梯钻轴向力模型

阶梯钻制孔可视为初始钻削阶段和次级钻削阶段。结合阶梯钻使用过程中的实际情况是进行进行轴向力模型的建立。

二、实验与分析

1、实验方案

实验一：主轴转速和进给率分别保持在 1000prm 和 10 mm/min，阶梯钻和预制孔分别在 0. 1＜k＜0．63 范围中取 7 个不同的直径比率进行钻削，观察其各自临界轴向力随直径比率的变化趋势，对比传统麻花钻，分析得出临界轴向力与直径比率的关系。

实验二：主轴转速和进给率与实验一相同，三种不同工艺分别在 0＜h＜2. 4 mm 中取 24 个等距位置，得出轴向力并绘制折线图分别进行对比，确定轴向力与未切削层厚度的关系曲线。

实验三：在主轴转速为 1000 rpm 的条件下，采用三种工艺对CFRP层合板在进给率分别为 5 mm/min、10 mm/min、15 mm/min、20 mm/min 的参数下进行无预制孔钻削，研究轴向力与进给率的关系。

2、实验结果分析

（1）临界轴向力与直径比率分析

临界轴向力是由材料属性、未切削层厚度及直径比率三者的关系式确定的。为评估无分层钻削方案，对比了阶梯钻和预制孔随直径比k 值变化时，临界轴向力与麻花钻临界轴向力的比值。当 0. 1＜k＜0. 63 时，两种工艺临界轴向力均随直径比率的扩大而增加。当阶梯钻0. 561＜k＜0.63 时，临界轴向力超过同等条件时麻花钻(k=1)的临界轴向力。此时，阶梯钻能使层合板在更高的进给率下完成无分层制孔，提高了生产效率。预制孔的直径比率在 0. 27＜k＜0. 63 时，所产生的临界轴向力大于麻花钻(k=1)的临界轴向力。综上，对于阶梯钻 0. 561＜k(k = b/c) ＜0. 63 和预制孔0. 27＜k(k=2b/d)＜0. 63，均较同等条件下的麻花钻有更高的临界推力，因此也会达到更高的制孔质量。

（2）轴向力与未切削层厚度分析

在 1000 rpm、10 mm/min 参数下，三种工艺钻削轴向力的变化均呈现先增大后减小的趋势，如图 6所示。在钻削入口处，切削刃与层合板的接触面积较小，则切削轴向推力较小；随着切削刃工作量的增加，与层合板的接触面积逐渐增大，轴向力也随之增大，且相对趋于稳定；当未切削层不足以承担推力时，轴向推力则会呈现下降的趋势。

阶梯钻和预制孔的钻削轴向力较传统麻花钻分别减小了约 30%和 60%，差异较为显著。因为预制孔和阶梯钻有利于消除刀具横刃所产生的轴向力，这部分轴向力是导致出口分层的主要因素。预制孔孔径和刀具横刃长度均为 3 mm，使得钻削过程中预制孔抵消横刃的影响，扩孔全部由切削刃完成，因此出口处不发生橫刃推挤。阶梯钻初始阶段横刃为 2mm，这一阶段加工完成后层合板孔径为 5 mm，为次级钻削去除了部分中心材料，第二阶段沿阶梯外缘进行扩孔能够去除第一阶段产生的分层，并降低横刃推出作用。

（3）孔质量对比

通过对三种制孔工艺技术的孔质量相比较发现，如果在相同的作业环境中，各项参数都相同，各方面因素都保证科学合理，采用麻花钻制孔技术钻出的孔，整体质量要比较差，而且分层现象较为严重，孔的周围存在大量的毛刺；采用预制孔钻削加工，孔的周围产生了轻微的毛刺，没有出现分层的情况；应用阶梯钻制孔，孔的周围也存在着少量的毛刺，但是没有分层现象。由此可见，采用预制孔钻孔加工和阶梯钻的制孔方法，可以提高制孔的质量，避免分层现象的发生，对飞机制造质量的提升有着积极的影响，在后续飞机制造的过程中可以加强这两种制孔工艺的应用。

结语：采用阶梯钻或者预制孔可以避免分层现象的出现，制孔的效率得到了显著的提升。可以应用建立的分层临界轴模型对不同制孔工艺技术的应用效果进行体现。上文主要对阶梯钻、麻花钻和预制孔钻削加工进行了分析，通过实验发现，刀具横刃产生的轴向力是导致分层现象发生的主要原因，可以对这方面进行控制，来避免制孔过程中分层现象的出现。

阶梯钻制孔工艺在应用的过程中，如果初级阶段和次级阶段直径比超过一定的范围，或者高于其他两种钻孔工艺的直径比，那么轴向推力就会增加，这样可以在一定程度上避免分层现象的出现；带预制孔钻削工艺在应用的过程中削弱了横刃的轴向力，这样可以降低轴向