CFRP与合金叠层装配构件制孔的工艺特点分析

王贤锋

摘 要：碳纤维复合材料（CFRP）与金属材料构成的性能差异的叠层构件在飞机中应用广泛，钻削是复合材料/合金叠层构件制造过程中工作量最繁重的机械加工工序之一。随着飞机自动制孔技术的发展，其关键技术之一就是要求在装配过程中采用一道工序同时高效加工碳纤维复合材料和钛合金以及铝合金等完全不同性质的材料。

关键词：复合材料/合金叠层；刀具；涂层；自动制孔

中图分类号：TH145；TB30l 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）22-0035-02

轻量化、高比强度、高比模量、性能可剪裁、耐腐蚀、耐辐射等优势让碳纤维增强复合材料（CFRP）成为航空结构材料的主要发展方向[1]。CFRP已经逐步替代传统的铝合金、高强度钢等金属材料成为主要的航空结构件材料[2]。美國波音公司B787是世界上第一架采用复合材料机翼和机身的大型客机，空客公司A350XWB宽体客机和B787一起以机身和机翼均实现复合材料化成为目前世界上最先进的大型民用客机。复合材料已成为现代飞机重要的结构材料。飞机装配越来越多地存在金属材料（钛合金、铝合金等）和复合材料混合叠层结构的孔加工。[3]

1 复合材料/合金叠层构件钻削特点

碳纤维复合材料的碳纤维质点硬度非常高，其HRC =53～65，相当于高速钢的硬度，因此钻头的磨损非常严重，刀具的寿命非常短[4-5]。用高速钢麻花钻钻削碳纤维复合材料时，每个钻头只能加工2～3个孔，耗刀量非常大。碳纤维复合材料的切屑为粉末状，而这些高硬质点粉末状的碳纤维颗粒在钻削过程中不断对钻头刃口进行磨削作用，使刀具刃口瞬间钝化，刀具耐用度急剧下降。因此，碳纤维复合材料切削加工普遍存在着刀具寿命过短，消耗量大的现象，如图1所示。

钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则容易出现粘刀现象，也难于切削。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。变形系数小，切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大，加速刀具磨损。切削温度高，由于钛合金的导热系数很小（只相当于45#钢的1/5～1/7），切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高。单位面积上的切削力大。主切削力比切钢时约小20%，由于切屑与前刀面的接触长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。冷硬现象严重。由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。

目前，复合材料制孔存在着多种的叠层形式，最常见的叠层构件形式有复合材料/复合材料叠层、复合材料/钛合金叠层、复合材料和铝合金叠层。复合材料/复合材料叠层需解决复合材料制孔过程中孔出口撕裂和起毛、孔壁周围材料发生分层等缺陷，可采用钻铰一体刀进行。复合材料/钛合金叠层是两种切削机理完全不同的难加工材料，其对工艺参数和刀具要求都不尽相同。在钛合金钻削过程中，存在着切削力大，消耗功率高，切削温度高等特点，对于大的连接孔，一次钻削成型往往难以实现，往往需采用变参数的工艺方法结合“钻-扩-铰”的工序过程来实现。复合材料/铝合金叠层需特别注意铝合金毛刺的产生以及铝屑对复合材料孔壁的刮伤。

2 复合材料/合金叠层构件制孔方式

飞机复合材料/合金叠层构件制孔方式主要有手工制孔、AUU半自动制孔和自动制孔。对于手工制孔，刀具应采用无涂层的硬质合金刀具，同时要特别注意扩孔和铰孔余量。对于ADU半自动制孔，主要用于飞机大厚度大直径开敞性不好的位置制孔，但是因ADU设备参数一般不可调，对刀具的选择提出了新的挑战。对于自动制孔，刀具应选用钻锪一体刀以实现“钻-扩-铰-锪”一次性制孔，同时刀具必须满足长寿命的要求，一般因采用金刚石涂层刀具或PCD刀具。

综上，CFRP高比强度、高比模量的材料性能对制孔刀具耐磨性提出了较高要求，而CFRP各向异性对制孔刀具结构设计提出了新的挑战。高性能CFRP专用制孔刀具必须从刀具结构和刀具表面处理两个方面进行刀具设计和制备。为了提高CFRP制孔刀具的耐磨性，提升刀具寿命，需综合考虑刀具、工艺过程、制孔方式等，同时金刚石涂层硬质合金刀具已成为解决CFRP专用刀具磨损及刀具寿命短的关键技术。

3 制孔刀具材料及涂层

3.1 制孔刀具材料

鉴于纤维增强复合材料的难加工特性，用于其加工的钻头材料必须具有很好的抗磨损性能。一方面，复合材料中的纤维一般都具有高硬度的特性，在钻削过程中充当磨粒的作用，因而，相比于普通金属材料的切削加工，复合材料钻削更易导致钻头的磨损；大量研究证实，在钻削加工纤维增强复合材料中，后刀面的磨粒磨损是钻头最主要的磨损形式[6-7]。另一方面，磨钝后的切削刃会导致复合材料在钻削过程中的分层、纤维抽出等制孔缺陷迅速增多，并使钻削轴向力增大、钻削温度上升[8]。因此，钻头材料应该选择抗磨损性能较好的高硬度材料，如硬质合金、聚晶金刚石（Polycrystalline diamond，简称PCD）材料等。

图2给出了在不同的切削速度下（进给量f=0.22mm/rev），采用不同磨损状况的钻头加工CFRP时对钻削轴向力的影响。从图中可以看出，在切削速度一定时，钻削轴向力随着刀具的磨损量的增大而增大；随着切削速度的提高，刀具的磨损对钻削轴向力的影响越来越显著。Kim和Ramulu通过对比试验研究发现，在钻削CFRP/Ti叠层材料时，高速钢钻头比硬质合金钻头磨损更快[9]。而且采用高速钢钻头加工时，标准麻花钻与专用钻头差别并不大。

目前，用于加工复合材料的钻头材料主要有高速钢、硬质合金和聚晶金刚石（Polycrystalline diamond，简称PCD）三种材料。陶瓷材料因其抗机械和热冲击性能较差不适合用于加工复合材料。高速钢钻头因其耐磨性太差、硬度太低等而很少采用。虽然PCD钻头具有更长的刀具耐用度，然而PCD材料价格昂贵，限制了其更广泛的应用。相比之下，硬质合金钻头以其硬度高、耐磨性好以及更好的经济性获得了更为广泛的应用。

涂层对钻头加工性能的影响

3.2 刀具涂层

为改善刀具切削性能，刀具通常需要进行涂层。用于刀具涂层的材料主要有基于钛元素的涂层（TiC、TiN、TiCN、TiAlN、TiAlON等）、金刚石涂层、以MoS2或CW+C作为外层的自润滑涂层等[15]。

涂层方法主要有化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）和物理气相沉积法（Physical Vapor Deposition，简称PVD）两种方法，但无论是CVD还是PVD都是为了在涂层和基体材料之间建立一个牢固的连接。针对某一种基体，与该基体的粘附力是选择涂层材料最重要的标准。另外，硬度、热传导性等也是选择涂层材料的标准之一。

对于纤维增强复合材料的切削加工，最好的涂层材料是金刚石涂层材料。一方面，金刚石的高硬度使其具有优于其他任何材料的的抗磨料磨损性能。另一方面，金刚石涂层可以获得更加锋利的切削刃使其对复合材料的加工质量能够稳定在一个非常高的水平。另外，一些涂层供应商的经验显示钴含量在10%以下的细晶硬质合金与金刚石的附着效果最好。

4 结语

纤维增强复合材料的钻削加工仍将是21世纪的极富挑战性的工作。关于专用钻头的设计、刀具材料和涂层材料的开发等将对钻削加工复合材料的进步具有重要意义。本文綜述了复合材料/合金叠层构件的结构形式，加工的几种方式，加工的特点，及所用的钻头材料、涂层的选择，以期为刀具选择和设计提供有益的指导。

参考文献

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[4]孟宪超.碳纤维复合材料钻孔加工工艺研究[D].大连：大连理工大学，2005.

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[9]Kim D，Ramulu M.Drilling process optimization for graphite/bismaleimide-titanium alloy stacks[J].Composite Structures，2004，63（1）：101-114.