碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉆削工藝

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1、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉆削工藝碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）是以碳或石墨纖維為增強(qiáng)體的樹(shù)脂基復(fù)合材料。因其具有比強(qiáng)度、比剛度高，耐疲勞性能好及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，已發(fā)展成為繼鋁、鋼、鈦之后的第四大航空航天結(jié)構(gòu)材料之一。20世紀(jì)80年代后服役的戰(zhàn)機(jī)均大量采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，復(fù)合材料的用量已成為衡量飛機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。例如，法國(guó)陣風(fēng)戰(zhàn)機(jī)的復(fù)合材料用量占40%，瑞典JAS39戰(zhàn)機(jī)占30%，歐洲“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)機(jī)大于40%，美國(guó)的殺手锏武器B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)占到50%，美國(guó)空軍最新的F-22“猛

2、禽”戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到了35%。1984年，日本東麗公司成功研制出高強(qiáng)度、大伸長(zhǎng)量的碳纖維T800H，1986年，又研發(fā)成功T1000。隨后，日本東邦、三菱人造絲公司和美國(guó)Hexcel公司相繼研制出同類高性能碳纖維，為制造大飛機(jī)提供了新型復(fù)合材料。從此，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在大飛機(jī)上的用量直線上升，應(yīng)用情況見(jiàn)圖1。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在應(yīng)用過(guò)程中往往要與其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，連接是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空航天飛行器中60%~80%的破壞都發(fā)生在連接部位。連接中最常采用的機(jī)械連接需要先制孔。例如，一架波音

3、747飛機(jī)有300多萬(wàn)個(gè)連接孔，而美國(guó)最先進(jìn)的F-22戰(zhàn)斗機(jī)每副機(jī)翼要14000個(gè)精孔。復(fù)合材料是典型的難加工材料，其制孔工藝復(fù)雜，對(duì)刀具和工藝參數(shù)的要求更高。因此，復(fù)合材料制孔工藝已成為復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵工藝之一。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制孔缺陷碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由質(zhì)軟而粘性大的基體材料和強(qiáng)度高、硬度大的碳纖維增強(qiáng)材料混合而成的二相或多相結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能呈各向異性，層間強(qiáng)度低，切削時(shí)在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、劈裂等缺陷。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削加工中主要存在以下問(wèn)題：（1）材料硬度大，其硬度HRC值可達(dá)53~65，相

4、當(dāng)于一般高速鋼的硬度，因而鉆孔時(shí)鉆頭磨損很快；（2）層間強(qiáng)度低，在鉆孔過(guò)程中，易產(chǎn)生分層等缺陷；（3）屬于各向異性材料，鉆孔處的應(yīng)力集中較大，極易引起劈裂等缺陷；（4）熱導(dǎo)率小，線脹系數(shù)和彈性恢復(fù)大，鉆孔時(shí)，存在縮孔現(xiàn)象；（5）切屑為粉塵狀，對(duì)人體健康危害大。分層是碳纖維復(fù)合材料鉆孔的主要缺陷。分層缺陷的大小可以用分層因子（Fd）來(lái)表示。分層因子可以用以下公式表示:Fd=Dmax/D，其中，Dmax表示最大損傷區(qū)域的直徑，D表示孔的實(shí)際直徑，如圖2所示。HoehengH等通過(guò)試驗(yàn)分析得出：分層因子Fd與平均軸向

5、力Fz間存在著線性或分段線性關(guān)系：平均軸向力Fz越大，分層因子Fd越大，分層越嚴(yán)重。因此，可以通過(guò)平均軸向力的大小以及制孔質(zhì)量，來(lái)評(píng)判不同鉆削工藝的優(yōu)劣。復(fù)合材料鉆削刀具國(guó)外一些著名刀具生產(chǎn)廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)研制出適合碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削加工的專用刀具。如瑞典的山特維克可樂(lè)滿公司已經(jīng)研制出適合高纖維CFRP鉆孔的專用刀具CoroDrill854和適合高樹(shù)脂CFRP鉆孔的專用刀具CoroDrill856，這2種刀具可加工最大直徑12.70mm的孔，壽命可以達(dá)到鉆650個(gè)孔（圖3）。圖3德國(guó)瓦爾特集團(tuán)開(kāi)發(fā)的Walter

6、TitexPCD鉆頭（圖4）是適合多種CFRP復(fù)合材料加工的專用鉆頭，其孔徑加工范圍為2.0~6.4mm。該刀具能有效減小軸向力，從而減小復(fù)合材料的撕裂、分層和毛刺等缺陷，壽命可以達(dá)到鉆600個(gè)孔。另外，美國(guó)的肯納刀具針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也研制了復(fù)合材料專用鉆頭SPF。WalterTitexPCD鉆頭這些國(guó)外刀具雖然很好地提高了刀具壽命及鉆孔質(zhì)量，但刀具對(duì)機(jī)床設(shè)備的要求比較高，需要在數(shù)控加工中心上應(yīng)用，且價(jià)格昂貴，為同尺寸國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具的10多倍。我國(guó)目前還沒(méi)有鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的專用刀具。復(fù)合材料應(yīng)用

7、部門目前主要采用YG類硬質(zhì)合金麻花鉆，如YG6X、YG8和Y330。這種刀具制造簡(jiǎn)單，成本低，易于刃磨，對(duì)機(jī)床設(shè)備要求低。但使用壽命低，一般鉆削30~40個(gè)孔后，就需要進(jìn)行刃磨。為了提高刀具的使用壽命，一些刀具廠商對(duì)刀具進(jìn)行表面涂層處理，如氮鋁化鈦涂層和金剛石涂層。試驗(yàn)內(nèi)容鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，一般采用高轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給量。本試驗(yàn)采用高速臺(tái)鉆Z4006A，具有1370r/min、3700r/min、6900r/min、10000r/min四級(jí)轉(zhuǎn)速，滿足鉆削時(shí)高轉(zhuǎn)速的要求。為了全面研究各類工藝參數(shù)對(duì)鉆削軸向力和制孔

8、質(zhì)量的影響，作者對(duì)該鉆床進(jìn)行了改進(jìn)。在鉆床上加上步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)鉆床自動(dòng)進(jìn)給功能，進(jìn)給量可大范圍調(diào)整。圖5為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削軸向力測(cè)量平臺(tái)示意圖。鉆削軸向力測(cè)量平臺(tái)示意圖鉆頭鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)向下的軸向力，Kistler9257A測(cè)力儀將力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)Kistler5019電荷放大器放大后，由數(shù)據(jù)采集器和專用測(cè)力軟件3010DEWE在計(jì)算機(jī)上形成動(dòng)態(tài)軸向力曲線