碳纤维复合材料钻削试验研究

李 健，江秋斐

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

碳纤维复合材料钻削试验研究

李 健，江秋斐

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

在碳纤维复合材料切削加工过程中，经常会出现分层、劈裂等质量问题。文中为了解决碳纤维复合材料的分层问题，从而达到提高碳纤维复合材料钻削质量的目的，主要从分析碳纤维复合材料切削加工工艺特性入手，利用不同的工艺参数、加工技巧，对其进行了一系列钻削试验。通过分析试验数据，对比试验结果，从优化工艺参数、加工刀具的选用方面，提出了若干适合实际操作的工艺技巧，确定了最优的钻削方法。该方法被广泛应用到了产品中, 成功改善了碳纤维复合材料的钻削质量。

碳纤维复合材料；切削加工工艺；分层；劈裂

引 言

碳纤维复合材料具有比强度、比刚度高，耐疲劳性能好及可设计性等特点，可显著降低航天器的重量，因此，一经问世就为航空航天界所重视。随着材料性能及工艺水平的提高，碳纤维复合材料已由次承力结构件变成主承力结构件，在航天、航空、军事等领域得到广泛应用[1]。

随着航空航天产品的日益增多，碳纤维复合材料在产品零件中得到广泛应用，但碳纤维复合材料具有层间强度低、各向异性、硬度高、脆性大等特点[2]，在切削时易出现层间分层、劈裂现象，从而产生结构件的质量问题，严重的还会使零件报废。因此，碳纤维复合材料的机械加工一直是一个加工难点。

本文根据碳纤维复合材料切削加工的工艺特性，利用不同的工艺参数、加工技巧进行碳纤维复合材料钻削试验，总结出一系列碳纤维复合材料的钻孔工艺方法。该方法被应用到了产品中，成功改善了碳纤维复合材料的钻削质量，在提高碳纤维复合材料加工质量方面取得了良好的效果。

1 碳纤维复合材料的特性

1.1 机械加工性能

碳纤维复合材料属于一种难加工材料，这主要表现在：

1) 碳纤维复合材料层间强度低。在切削加工过程中，如果复合材料构件所受的切削轴向力过大，层间应力就会过大，当该应力超过其基体树脂的强度时就会出现分层等现象。

2) 碳纤维复合材料硬度大，其硬度HRC可达53～65，相当于一般高速钢的硬度。因此，在切削加工时刀具磨损很快[3]。

3) 碳纤维复合材料导热性差。在切削加工过程中，刀具与复合材料产生大量的摩擦热，而碳纤维复合材料的热导率小，热量难以在加工中排除，这会使切削区温度迅速上升，加速刀具磨损。

1.2 碳纤维复合材料分层的原因

当刀具切入碳纤维复合材料时，主切削刃首先使纤维剥开，然后把它切断，这种剥离对最外层材料的影响最大。当纤维被剥离开时，刀具的切削刃必须同时切断纤维，假如不能全部切断或者所要求的切削力超过基体树脂的强度，就会产生分层、劈裂等问题。

由以上分析得知，切削轴向力是引起分层缺陷和出口劈裂的主要原因。在切削加工过程中，轴向力越大，分层和劈裂的可能性及破坏的范围就越大。

2 碳纤维复合材料钻削加工研究

根据以上对碳纤维复合材料机械加工性能及分层原因的分析，为了有效避免碳纤维复合材料加工时产生的缺陷，选用多种刀具和加工设备，采用不同的工艺参数进行了钻削加工研究。

选用普通高速钢直柄麻花钻、多特207系列三尖两刃钻，分别使用普通台钻、前哨气钻及高速数控铣床，选取不同的转速，在不采用装夹垫板的情况下进行钻孔，并对钻孔后的外观质量进行了分析，其研究结果见表1。

表1 钻孔后的外观质量(无装夹垫板)

对钻孔后孔的内壁与孔口处进行观察，发现当转速低于4 000 r/min时，不论是普通麻花钻还是多特207系列三尖两刃钻，在孔的内壁与孔口处都出现了不同程度的分层缺陷；当转速为4 000～6 000 r/min时，使用普通麻花钻所钻的孔主要在孔口处出现了不同程度的分层缺陷，而使用多特207系列三尖两刃钻所钻的孔未出现分层缺陷，质量合格；当转速过高时，不论是普通麻花钻还是多特207系列三尖两刃钻，在孔的内壁都出现了不同程度的分层缺陷。钻孔外观如图1～图3所示。

图2 4 000 r/min切入切出外观质量(无装夹垫板)

图3 17 000 r/min切入切出外观质量(无装夹垫板)

针对上述现象，在原钻削加工研究的基础上增加装夹垫板再进行钻孔，即将碳纤维复合材料装夹在2块厚度为3 mm的铝板之间进行钻削试验，并对钻孔后的孔外观质量进行了分析，其研究结果见表2。

表2 钻孔后的外观质量(有装夹垫板)

对钻孔后孔的内壁与孔口处进行观察，发现当转速低于2 000 r/min时，不论是普通麻花钻还是多特207系列三尖两刃钻，在孔的内壁与孔口处都出现了不同程度的分层缺陷；当转速为2 000～6 000 r/min时，使用普通麻花钻与多特207系列三尖两刃钻所钻的孔皆未出现分层缺陷，质量合格；当转速过高时，不论是普通麻花钻还是多特207系列三尖两刃钻，在孔的内壁都出现了不同程度的分层缺陷，钻孔外观如图4～图6所示。比较有无垫板钻削2种情况，可以发现有垫板时, 各转速下的钻削情况均较无垫板时有较大改善。

图5 4 000 r/min切入切出外观质量(有装夹垫板)

图6 17 000 r/min切入切出外观质量(有装夹垫板)

3 结束语

从以上试验数据分析可以看出，在对碳纤维复合材料进行钻孔时，刀具必须锋利，切削转速至少在2 000 r/min以上，但也不能过高，最好采用4 000～6 000 r/min的转速。从刀具、加工参数方面可以得出以下结论：

1)从刀具方面可以看出：普通高速钢麻花钻不合适加工碳纤维复合材料，因为它容易崩坏、烧损，而多特的三尖两刃钻是专门针对非金属材料设计的钻削刀具，刀口锋利，不易崩坏、烧损。因此三尖两刃钻头更加适合于碳纤维复合材料的钻削加工。

2)从加工参数方面可以看出：当转速低于2 000 r/min或高于6 000 r/min时，即使使用多特刀具和铣床加工，增加装夹垫板，也无法避免碳纤维复合材料出现分层、劈裂缺陷；当转速高于2 000 r/min后，情况有所改善；当转速达到4 000～6 000 r/min时，使用多特刀具的钻削质量得到保证，如选用普通钻头则建议增加垫板进行钻削。因此，针对碳纤维复合材料的钻削加工，最优转速为4 000～6 000 r/min。

此项研究成果已成功应用在碳纤维复合材料的机械加工之中，大大改善了碳纤维复合材料的钻削质量。目前此试验项目仅仅研究了碳纤维复合材料的钻削加工，以后还将进一步深入研究碳纤维复合材料的铣削、铆接等加工内容，以进一步提高碳纤维复合材料的加工质量。

[1] 黄家康, 岳红军, 董永祺. 复合材料成型技术[M]. 北京：化学工业出版社，1999.

[2] 孙路华, 全燕呜, 钟文旺. 碳纤维复合材料高速钻削力的研究[J]. 航天制造技术，2005(3)：9-12.

[3] 胡宝刚, 赵建设, 李德茂. 碳纤维复合材料的后加工工艺[J].宇航材料工艺，1995(1)：31-35.

李 健(1981-)，男，工程师，主要从事雷达天线系统工艺设计与研究工作。

江秋斐(1986-)，女，助理工程师，主要从事精密加工工艺设计与研究工作。

Research on Drilling Process of Carbon Fiber Composite

LI Jian，JIANG Qiu-fei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Lamination and split problems often appear in the cutting process of the carbon fiber composites．To solve the lamination problem and thus to improve the drilling quality, in this paper the cutting process property of the carbon fiber composites is analyzed and a series of drilling tests are carried out with different process parameters and practical process skills．Several practical process skills are provided from process parameter optimization and tool selection by the test data analysis and the test result comparison. And the optimum drilling method is obtained. The drilling process has been applied widely to the product and has improved successfully the drilling quality of carbon fiber composite.

carbon fiber composites； cutting process； lamination； split

2013-03-12

TG506.7

A

1008-5300(2013)04-0052-03