對樹脂基碳纖維復合材料制孔缺陷以及鉆削工藝的探究
來源:用戶上傳
作者:
摘 要：樹脂基碳纖維復合材料的耐腐蝕性、抗疲勞性以及電磁波穿透能力的性能非常優良，目前在軍事和民事等領域的應用日益廣泛，特別是在航空航天方面。但是因為樹脂基碳纖維的物理結構與化學比較獨特，在制孔以及鉆削的過程中往往有幾何缺陷存在，這就使材料加工質量大打折扣。本文分析了樹脂基碳纖維樹脂基碳纖維復合材料在制孔和鉆削上存在的缺陷，提出了解決問題的辦法，以供參考。
關鍵詞：樹脂基；碳纖維；復合材料；缺陷；鉆削
1 引言
新世紀以來，如飛機、航空航天以及化學工業加工設備等行業都需要高性能、輕質結構的材料，這就使樹脂基碳纖維復合材料發展迅速?，F階段，大型民用或軍用飛機機體材料正逐步以符合材料取代以往的鋁合金為機身的主要材料，這也為樹脂基碳纖維復合材料的發展提供了契機。一般來說，機械鉆削是對各種復合材料零件加工的最后一道工序。但因為目前鉆削的效率較低，所以在對這種復合材料加工的過程相對困難，合板是公認的難加工材料。所以對樹脂基碳纖維復合材料切削工藝進行改進是迫切需要的。
因為復合材料在進行制孔的過程中會出現損傷，比如說分層以及纖維拔出等情況，這就會使復合材料的抗疲勞強度大打折扣，降低其使用壽命，降低整體產品的質量，因此本文論述了了樹脂基碳纖維復合材料制孔缺陷、并對鉆削工藝的改良進行探究以供參。
2 樹脂基碳纖維樹脂基碳纖維復合材料在制孔和鉆削上存在的缺陷分析
制孔是樹脂基碳纖維復合材料零件進行裝配與連接中必重要的加工環節?，F階段對復合材料構件進行制孔的主要工藝有切削加工技術以及特種加工技術兩種。特種加工技術又可以細分電火花加工、超聲打孔以及激光打孔等技術。在特種加工的過程中運用非機械能可以減少被加工材料的剩余的數量，在整個加工的過程中，材料的受力很小，幾乎不會有機械加工變形發生，這種技術主要在小孔、異形孔以及微孔加工時應用。由于飛行器等零件的尺寸相對較大的，目前的特種加工設備無法達到飛行器裝配連接鉆孔的相關要求，在對復合材料材料進行圓孔加工的過程中最常用的就是鉆削加工，所以，在飛機上鉆孔加工主要采用鉆削加工。就以往的鉆削金屬制孔方法來看，目前還存在著許多的問題。
2.1 制孔的精度不合格
在對復合材料進行制孔的過程中，經常會出現孔的位置精度不合格、孔尺寸精度較差以及圓度不夠規則等較為常見的問題。
除了上述問題之外，還存在著碳纖維孔內壁周圍的部分有分層出現，以及鉆孔孔口處出存在纖維撕裂或者是劈裂，這是樹脂基碳纖維復合材料在制孔的過程中特有缺陷，同時也導致復合材料在制作零件連接和裝配時產生報廢的一個重要原因。 除此之外，因為在手工鉆孔時，對進給量進行控制非常困難，復合材料也會常常出現劈裂、分層等情況，在快要鉆透時也會出現孔的垂直度不好等現象。
2.2 刀具磨損嚴重
從材料的硬度方面來看，因為常溫下樹脂基碳纖維復合材料和高速鋼鉆頭的硬度非常接近，借助高速工具鋼或者是碳素工具鋼對樹脂基碳纖維復合材料進行加工可能出現刀具磨損嚴重的情況發生，由于的鉆頭磨損，需要頻繁的進行更換，這樣干擾正常的加工作業，使零件的鉆削成本增加。因此在對復合材料進鉆孔和切削的過程中，需要認真對復合材料的硬度、韌性等特性進行考慮，嚴格控制進刀量、潤滑液以及鉆削的速度等工藝參數，避免出現樹脂基碳纖維材料背面纖維崩斷等情況發生。
3 樹脂基碳纖維復合材料在制孔和鉆削上存在的缺陷的原因分析
對刀具磨損嚴重、制孔的精度不合格等缺陷進行分析，造成這種現象的原因主要有以下兩個方面，第一，由于樹脂基碳纖維復合材料的特性就導致零件在加工的過程中難度大大增加，因為復合材料的組成部分（樹脂基體、碳纖維）兩者結合力相對較差，在承受沖擊和非纖維軸向負荷的能力相對較差，導致壓縮強度較低，在鉆頭軸向進給力太大的時，制造的零件非常容易出現中間分層、孔口劈裂、復合材料疊合處起毛或以及撕裂等問題出現；另一方面，傳統的制孔工藝存在許多的不足之處，因為鉆削軸向力所導致的張開型裂紋被破壞，是鉆孔出口的附近以及孔壁周圍的材料出現分層的主要原因。所以，綜合樹脂基碳纖維復合材料的相關特性，不斷對復合材料制孔以及鉆削工藝的相關參數進行調整改善，逐步解決在復合材料制孔加工時出現的上述問題，提升制件的整體質量具有非常重要意義。
4 復合材料在制孔和鉆削上存在的缺陷的原因分析
4.1 對制孔和鉆削的工藝進行調整
因為在制孔和鉆削的過程中，鉆頭的軸向進給力是導致制件存在缺陷的非常重要的原因之一，在進行加工時，對相關鉆頭的幾何參數和鉆削工藝參數不斷進行調整，這樣可以控制鉆頭軸向進給力在合理的范圍之內，杜絕出現因為鉆頭的軸向進給力太大而使制件出現缺陷的情況。經過實踐證明，在鉆削和制孔的過程中調整了參數之后，鉆出連接孔的質量會得到大大提高。就以Y330材質、θ3～θ8mm的整體式的麻花鉆頭、鉸刀鉆為例，這種類型的鉆頭的頂角（2φ）是100～120°，鉆芯的厚度是0.9～1.3mm，其螺旋角為25～30°。將其運用到實際的制孔和鉆削中去，因為后角能夠對鉆削性能造成顯而易見的影響，保持其角度為15～25°；在對鉆頭形狀的改進方面，使用雙刃扁鉆等鉆透，可以使制件的質量顯著提高。
4.2 改善制孔的工藝
在進行復合材料制孔時，要按照實際的加工需求去選擇適當的制孔工藝，這樣可以保障制孔的質量、杜絕制件缺陷發生的有效途徑。在進行鉆削的過程中，整體式的麻花鉆鉆孔通常用于8mm之下的樹脂基碳纖維復合材料，為可使制孔的質量良好，就需要同時對碳纖維復合材料的上、下表面加工處理，還可以在鉆孔出口面增加墊板（比如夾層膠木板等），要控制鉆透的轉在2000r/min左右，還要使用低進給量，約為0.04mm/r，這樣可以在一定程度上避免分層和劈裂現象的出現。對于孔徑超過8毫米的鉆孔，可用鏜對制件進行制孔，或者先使用硬質合金鉆頭來鉆小孔，然后再使用電鍍金剛石套料鉆鉆大孔的方法，這樣就能夠使鉆孔時的切削力大幅度降低。
除上述之外，在進行鉸孔工藝的過程中，在鉆孔之前就要預留鉸孔的余量，而后借助硬質合金短鉸刀在低轉速的情況下進行鉸孔；在進行锪窩的過程中，要把鉆孔出口面置于锪窩面，保證硬質合金锪窩鉆在較低轉速時進行鉆孔，還可以采用人造金剛石锪窩鉆高轉鉆孔。在實際操作時，锪窩鉆應要在旋轉之后才能接觸工件，這樣可以防止樹脂基碳纖維復合材料表面纖維出現劈裂。
4.3 刀具的改進
以往鉆削方法使刀具出現嚴重磨損嚴重，針對這對情況，可以根據復合材料的特性以及實際加工的情況，對制孔和鉆削使用的刀具進行調整，首先就是要使用硬度更高的刀具，這樣能夠在保障制件加工質量的前提下，減少刀具的磨損，避免頻繁換刀。對國內外的樹脂基碳纖維復合材料制孔和切削的經驗進行總結，可以發現鎢—鈷硬質合金的硬度能夠到達18000MPa之上，再加上這一類合金的韌性和彎曲強度較好，在使用過程中可以降低鉆削過程發生崩刃的現象，除此之外還可以選擇人造金剛石刀頭。根據實際的制孔和鉆削需求，對刀具進行選擇，可以很好的控制制件的質量。
5 小結
目前樹脂基碳纖維復合材料的制孔和鉆削工藝還沒有形成成熟的理論與方法，對這種復合材料刀具磨損以及制孔缺陷還需要不斷進行深入的研究。但是在這種復合材料制孔和鉆削時，通過對制孔和鉆削的工藝進行調整、改善制孔的工藝以及刀具進行改進等方法，可以復合材料制件制孔質量得到進一步提高。
參考文獻：
[1]全燕鳴，葉邦彥.復合材料的切削加工表面結構與表面粗糙度[J].復合材料學報，2016（04）.
[2]杜善義.先進復合材料與航空航天[J].復合材料學報，2016（01）.
[3]杜善義，關志東.我國大型客機先進復合材料技術應對策略思考[J].復合材料學報，2015（01）.
[4]劉戰強，黃傳真，萬熠，艾興.切削溫度測量方法綜述[J].工具技術，2013（03）.
[5]溫泉，郭東明，高航，王奔.基于劃痕試驗的碳纖維/環氧樹脂復合材料制孔毛刺與撕裂缺陷形成機制[J].復合材料學報，2014（01）.
[6]李志強，樊銳，陳五一，陳鼎昌.纖維增強復合材料的機械加工技術[J].航空制造技術，2013（12）.
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/1/view-14851612.htm
