碳纖維復合材料不同制孔工藝技術分析

李西

摘要：碳纖維復合材料具有以下優點：一是，強度高；二是，抗化學腐蝕性能優秀；三是，比模量高。基于上述優點，促使其被廣泛應用于高精尖領域，但碳纖維復合材料經常會在制孔時發生問題，使制孔質量下降，不利于碳纖維復合材料的應用。本文通過對碳纖維復合材料不同制孔工藝技術進行分析，希望對提高制孔質量有所幫助。

關鍵詞：碳纖維復合材料；制孔工藝技術；預制孔

引言：

碳纖維材料作為一種現代復合型材料，由于其材質較輕，且具有較強的適應能力，因而被廣泛應用于航空航天事業之中。飛機在制造過程中，鉆孔是一道非常重要的工序，但受到碳纖維材料向異性和異質性的影響，在進行鉆孔時，非常容易出現缺陷問題。因此，對碳纖維復合材料不同制孔工藝技術進行分析，具有十分重要的意義。

一、碳纖維復合材料制孔缺陷

起毛和撕裂是碳纖維復合材料在制孔加工過程中經常出現的缺陷[1]。其中撕裂缺陷的尺寸相對較大，對于碳纖維復合材料的影響也非常大，因此，本段內容將撕裂作為主要的研究對象。撕裂與起毛的產生位置大致相同，孔出口側的表面一層經常出現撕裂和起毛缺陷，并且撕裂會順著孔的出口處向外延伸。

碳纖維復合材料的形成可以劃分為兩個階段，第一個階段是橫刃作用階段；第二個階段為主切削刃作用階段。由于橫刃集中了半數以上的軸向力，因而橫刃作用是導致碳纖維復合材料缺陷的主要原因。據有關實驗表明，在橫刃鉆出的短時間內，就會導致復合材料出現較大的撕裂長度，并且軸向力不僅會導致材料出現撕裂缺陷，起毛缺陷也會隨之產生。但卻僅局限于表層纖維被逆向切削的部位，而橫向切削部分，則很少發生起毛和撕裂缺陷。

二、碳纖維復合材料不同制孔工藝技術分析

（一）軸向力制孔工藝技術分析

碳纖維復合材料主要有兩種分層形式：一是入口處的剝離分層，其產生的原因是鉆削時刀具螺旋槽斜面會產生一個力，這個力就是所謂的軸向力，由于受到軸向力的影響，致使碳纖維復合材料分層；二是出口分層，這個分層是復合型材料最明顯的分層，其產生原因為，在鉆削復合材料時，刀具會逐漸向出口平面靠攏，在靠攏的同時，切削層的厚度會逐漸減少，其所承受的軸向力也隨之降低，一旦軸向推力大于臨界軸向力，復合材料即會出現分層。

（二）麻花鉆軸向力制孔工藝技術分析

麻花鉆軸向力制孔工藝模型如圖1所示：

麻花鉆制孔工藝技術屬于傳統的碳纖維復合材料制孔工藝技術，由圖1可知，在使用該技術進行制孔時，我們可以看出碳纖維復合材料層壓板會體現多種性能，例如：彈性、向同性等，結合相關力學理論，我們可以得到下述公式：

Fb.dc=du+2∏aGicDA；

在上述公式中Fb代表的是鉆削推力；dc代表的是刀具位移；du代表的是應變能；a代表分層半徑；Cic代表的是臨界裂紋能量；DA代表的是裂紋變化量，并且這個變量呈增加狀態。繼而得到有關應變能的公式為：U=8∏MX2/a2。其中M代表的是復合材料的剛度。

（三）階梯鉆軸向力制孔工藝技術

階梯鉆軸向力制孔工藝技術屬于一種新型的制孔工藝，其軸向力模型如圖2所示。

在圖3中，F代表的是軸向推力；Q是周向載荷；而b為鉆頭的半徑。鉆頭在進行二次制孔時，則可以采用公式FT=2∏/1-U2，對裂紋拓展推力進行計算。

三、優化碳纖維復合材料制孔工藝技術的建議

通過對上述幾種制孔工藝技術進行分析，我們發現，在應用上述工藝進行制孔時，很難確保制孔的質量，究其原因，主要是制孔刀具對于制孔質量具有決定性的影響[2]。因此對制孔刀具和刀具結構參數進行優化和改正十分關鍵。而制孔工藝參數的確定，則為制孔刀具及其結構參數的優化和改正創造了有利條件。結合刀具影響的變化趨勢，制定實驗方案，對上述幾種制孔方法進行驗證，可以為制孔刀具結構和制孔工藝參數的調整，奠定堅實的基礎。

（一）優化鉆頭的橫刃結構

通過實驗的方式，對未經優化的探頭與優化過后的探頭進行比對，對其性能差異進行分析。

扭矩和軸向切削力是實驗主要檢測的內容，通過分析制孔后兩個探頭磨損情況和制孔質量，我們可以得到以下結論：經過優化后的制孔探頭，其軸向切削力顯著提升，并且扭矩也相應的減少。優化后的鉆頭具有以下幾方面的優點：一是鉆頭頂部相對較尖，具有良好的定心效果，采用手持方式即可完成制孔；二是橫刃部分前角較正，且鋒利程度高，有利于降低扭矩；三是添加容屑槽，會增強排屑的效果；四是利用圓弧的方式，將主切削刃和橫刃進行連接，有利于防止應力過于集中，該位置的破損情況也得到改善。

（二）對鉆頭螺旋角進行優化

通過實驗，我們可以得到不同的鉆頭參數，例如：鉆頭頂角參數、鉆頭螺旋角參數、鉆頭螺旋后角參數等，通過對這些參數進行明確，從而掌握鉆頭幾何參數對制孔質量和刀具使用壽命的影響。

根據實驗結果，我們可以得到以下結論：一是隨著主切削刃位置的變化，鉆頭螺旋角的位置也會發生改變，離鉆頭中心距離越近，螺旋角度會隨之變小。究其原因，主要是螺旋角其實就是主切削刃的前角，因而，螺旋角與鉆頭鋒利程度呈正相關的關系，但是螺旋角卻不宜過度加大，如果螺旋角增加量超出限度，則會對鉆頭強度造成影響。想要確保螺旋角增加值不超過限度，采用計算軟件，對螺旋角增加情況進行模擬，可以準確測算出螺旋角角度變化對切削力的影響規律。據實驗結果表明，如果鉆頭直徑不超過6毫米，選擇角度為25°的鉆頭即可保證制孔的質量。

（三）優化鉆頭頂角

鉆頭頂角對于制孔質量的影響十分嚴重，結合實際情況，可以采用計算機軟件進行模擬試驗，繼而得到頂角與切削力之間的關系，再通過切削試驗，對二者關系進行明確。

實驗結果表明，在鉆頭頂角發生變化的同時，碳纖維復合材料向力也會隨之發生變化，并且二者存在正向關聯，簡言之，就是鉆頭頂角加大，向力會同時增加。究其原因，主要是鉆頭頂角加大，會減少主切削刃的長度，削刃負載會同時縮小，軸向力下降明顯。

結論：

碳纖維復合材料由于具有強度高和適應能力強的特點，被廣泛應用于航空航天領域。但是在加工制孔過程中，卻容易受到多種因素的影響，使材料出現一些缺陷，不利于使用。因此，對碳纖維材料制孔工藝技術進行分析，并提出優化工藝技術的建議，具有十分重要的現實意義。

參考文獻

[1]龍文彪.碳纖維復合材料制孔問題研究[J].科技創新導報，2018，15（27）：125-126.

[2]王共冬，彭天，李映池，等.碳纖維復合材料不同制孔工藝技術研究[J].玻璃鋼/復合材料，2017（06）：46-50.

（作者單位：中航飛機股份有限公司）