碳纖維復合材料鉆孔工藝優化

劉佩林，鐘 濤，吳 登，陳科競，賓 璐，王敏輝

(江南工業集團有限公司，湖南 湘潭 411207)

碳纖維復合材料[1]是由有機纖維經過一系列熱處理轉化而成，含碳量高于90%的無機高性能纖維，是一種力學性能優異的材料，具有比重小、剛性好、強度高、耐高溫、耐摩擦、導電及耐腐蝕，已發展成為繼鋁、鋼、鈦之后的第四大航空航天結構材料之一，逐漸應用于軍工行業中，如噴管、發動機殼體、隔熱材料、儀器艙等[2]。而碳纖維復合材料是典型的難加工材料，對刀具要求更高。

1 碳纖維復合材料特性

碳纖維復合材料是由質軟而粘性大的基體材料和強度高、硬度大的碳纖維增強材料混合而成的二相或多相結構，其力學性能呈各向異性，層間強度低，鉆孔加工時會造成應力集中[3]，在軸向力的作用下容易產生分層。在鉆孔時存在如下問題：1)材料硬度大，其硬度值可達53～65 HRC，相當于一般高速鋼的硬度，因而刀具磨損很快；2)熱導率低，散熱慢，刀具不耐磨；3)層間強度低，鉆孔時易產生分層、崩邊、毛刺等缺陷；4)切屑為粉塵狀，對人體健康危害大。

2 生產存在的問題

零件端蓋(見圖1)生產中存在如下問題：1)件號3有裂紋；2)件號1中M10×1-7H螺紋退刀槽平面存在毛刺。端蓋部件原材料組成見表1。

圖1 端蓋

表1 端蓋部件原材料組成

分析產生機理：件號1與件號2是高強鋼材料，件號3是碳纖維復合材料，材料硬度均高。在鉆孔工序中，需將件號1及件號3鉆通，D6AC部分厚度約為3 mm，碳纖維部分厚度為4 mm。采用硬質合金直柄麻花鉆鉆孔，由于加工材料硬度高，碳纖維材料導熱慢，鉆頭在加工過程磨損快，切屑不能及時排出，在螺紋退刀槽端面擠壓形成毛刺；碳纖維材料有分層特點，孔出口端存在橫刃頂削，碳纖維呈撕裂狀(見圖2)。

圖2 碳纖維撕裂層

3 碳纖維鉆孔工藝優化

3.1 原工藝現狀

產品自生產以來，鉆φ6.5孔采用硬質合金直柄麻花鉆在普通鉆床上加工。孔中心與產品中心成18°±10′，用專用夾具將產品墊成18°，螺孔上增加專用鉆套，用于鉆孔導向。為了使排屑順暢，麻花鉆鉆孔過程需退鉆、排屑，致使M10×1-7H與φ6.5孔同軸度難以保證，孔壁存在接刀痕；刀具磨損快，往往加工8～10件產品就需要磨刀、換刀，加工效率低；孔出口端由于受軸向推力作用容易產生崩邊、撕裂現象，影響產品性能。

3.2 工藝優化

3.2.1 刀具材料的選擇

根據碳纖維材料特性和產品工況，考慮使用金剛石刀具材料，但金剛石刀具有一個缺陷，加工過程碰到金屬容易碎裂，因此金剛石鉆頭不能用于碳纖維復合材料與高強鋼材料的孔加工。

根據碳纖維和高強度鋼的硬度情況，D6AC淬火后，抗拉強度≥1 470 MPa[4]，硬度為45.5～49.5 HRC，碳纖維材料單絲抗拉強度≥3 500 MPa，硬度是鋼的7～9倍。考慮用硬質合金涂層刀具，表面涂超硬涂層AIR涂層，AIR涂層介于一般涂層與金剛石涂層之間，接近于金剛石硬度，耐高溫，耐磨耗，干濕兩用。涂層刀具經表面拋光、鍍鉻、拋光、涂層、烘干等工序，表面光滑，便于排屑。

3.2.2 刀具結構的選擇

由于碳纖維材料存在各向異性與異質性，因此相比其他材料，鉆孔時容易出現分層、纖維拔出、吸水膨脹、毛刺、分解等缺陷。根據端蓋產品情況，影響產品性能的主要因素是分層。軸向力是影響分層的主要因素，為了避免分層，影響制孔質量，減少橫向力是重要途徑之一。

孔的加工方式為銑孔與鉆孔2個方案。

方案1：銑刀銑φ6.5孔。針對產品出口崩裂的特點，為減小軸向推力，考慮用四刃銑刀銑孔；考慮切屑可能在孔口堆積，為便于排屑，在刀具上刻玉米型斷屑槽。φ6.5碳纖維銑刀設計如圖3所示。

圖3 碳纖維銑刀

方案2：鉆頭鉆φ6.5孔。前期加工是用直柄麻花鉆，應不斷退鉆來排屑，影響孔的表面質量，且刀具磨損快。為改進孔的質量，考慮用預鉆孔方式，先鉆φ5孔再擴φ6.5孔。由于采取普通鉆床加工，須分二道工序完成，產品存在二次裝夾，重復定位精度不能滿足要求，影響孔的同軸度。根據先鉆孔再擴孔的原理，設計階梯鉆，一次裝夾，一次成形。

查閱相關文獻[5]，使用階梯鉆鉆頭鉆削碳纖維復合材料時，臨界軸向力比使用普通鉆頭提高30%。階梯鉆鉆孔與麻花鉆鉆孔受力情況如圖4和圖5所示。

圖4 階梯鉆鉆孔模型

圖5 麻花鉆鉆孔模型

在圖4和圖5中，F1表示麻花鉆鉆削軸向推力。階梯鉆鉆孔可分為初始鉆削階段和次級鉆削階段，F2表示軸向推力，Q表示次級切削刃施加的周向載荷。采取階梯鉆將軸向推力進行分解，最終突破產品臨界推力的機會減小，不致于影響產品出口質量。由此可見，使用階梯鉆比使用麻花鉆軸向推力小。

王共冬等認為[6]，階梯鉆直徑比率0.561

圖6 涂層階梯鉆及結構圖

3.2.3 工藝參數選定及工藝驗證

碳纖維銑刀銑孔方式如下。

1)在臺式鉆床(Z512)上銑孔，轉速1 200 r/min，切屑成粉末狀。由于切削靠四刃切成圓片狀，最后一層切屑成片狀撕裂。

2)在加工中心(DMU60P)銑孔，φ6.5銑刀，刀軌設置為φ6.7，轉速3 000 r/min，進給F20 mm/min，出口進給15 mm/min。雖然刀具進給勻速，但出口端沒有改善，仍為撕裂狀。

銑刀銑孔存在如下特點。

1)銑削加工為多刃切削，加工效率高，旋轉運動有利于高速切削。

2)由于銑削過程中，多齒參與工作，每個齒切削厚度變化，切削力變化，導致切削過程中不穩定，容易產生振動。

3)多齒工作，每個齒間歇工作，有冷卻時間，散熱條件好，但切入切出時的沖擊可能引起刀片碎裂。

從試驗情況看，銑刀銑碳纖維材料孔，由于底面沒有支撐，最后一層材料容易撕裂，且銑刀直徑比孔直徑小，銑刀存在躥動現象，孔同軸度差。

階梯鉆鉆孔：由于碳纖維復合材料加工過程中，隨著刀具接近出口平面，未切削層厚度減小，所承受軸向推力也逐漸減小，一旦軸向推力超過臨界軸向力，則會發生分層現象。因此鉆削加工的進給率和刀具幾何形狀影響軸向推力大小。

用涂有AIR涂層的階梯鉆在加工中心和普通鉆床上鉆φ6.5孔，工藝參數對比見表2。

表2 階梯鉆鉆孔情況

從表2可以看出，在加工中心采取預鉆孔和階梯鉆，最后去除余量相對較小，配以低的進給量，孔的加工質量好；在普通鉆床，采用階梯鉆，一次加工到位，孔口沒有崩邊現象，符合產品要求。

在普通鉆床上用涂層階梯鉆鉆孔加工3件產品，檢測結果見表3。

表3 檢測結果

用涂層階梯鉆在普通鉆床加工的優點如下。

1)由于刀具設計成U型排屑槽，排屑順暢，端面不會產生毛刺堆積。

2)手動進給，進給速度慢，接近出口處，進給速度更慢，出口端不會產生崩邊現象。

3)鉆削過程，刀具不需退刀排屑，一次進給，同軸度很好。

4)在現有生產條件下進行加工，適合公司的批量生產。

4 結語

碳纖維復合材料鉆孔，通過選擇AIR涂層刀具，采取階梯鉆方式，高轉速、低進給，解決了刀具易磨損、孔口質量差的問題。

在原有生產條件下進行工藝優化，提高了產品合格率，降低了操作工人的輔助工作時間，提高了刀具的壽命，滿足精益生產要求。