碳纤维复合材料孔加工缺陷的研究进展

王志超，林有希，林华

(福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350108)

0 引言

碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)轻质，具有纤维的柔曲性和可编性，其硬度相当于一般高速钢的硬度。CFRP从以前主要集中在航空航天及代表科技前沿的军事领域，逐步拓展到工业应用领域，特别是近几年以来，碳纤维的成本逐渐降低，使得CFRP在建筑、体育休闲、交通运输等领域的应用大幅增长[1-2]。CFRP的材料性能及发展趋势正顺应了汽车工业的发展需求，对促进国民经济发展具有重要的现实意义。因为CFRP导热性差、各向异性以及层间强度低等特点，在孔加工时容易出现分层、出入口的毛刺和劈裂等缺陷[3-6]。本文综述了近几年来CFRP孔加工缺陷的研究进展，并对未来的发展方向作了展望。

1 分层缺陷

CFRP产品整体性能的优劣主要受其零件孔加工质量的影响，在CFRP孔的实际加工过程中，一旦产生分层损伤便不可修复，是最重要的一类缺陷。在航天制造领域，对飞机进行组装的过程中60%的装配失效是分层导致的[7]。分层缺陷就是CFRP孔加工过程中层间应力或制造缺陷等引起的不同铺层之间的脱胶破坏现象。CFRP孔加工分层主要是由钻削热和钻削力造成的[8]。

钻削时，因为纤维和基体组分的热膨胀系数不同，随着工件和刀具接触部位温度的产生和增高，热应力随之产生。几何边界层因为受到热效应而导致应力集中，造成局部应变的出现，从而引起分层。因为钻削温度为梯度分布，有效作用范围只集中在切削刃附近，且作用时间很短，所以钻削力的作用占绝对主要成分，分层受钻削温度的影响比钻削力要小得多。CFRP层合板上孔的出入口附近常常出现分层，其破坏方式有入口剥离分层和出口顶出分层。在钻孔过程中，碳纤维材料表面受到钻削轴向力，材料各铺层受到沿厚度方向的拉力，随之在孔壁的周围铺层材料中产生层间应力。钻削轴向力的周期性变化导致孔壁周围的材料受到交变应力，当钻头横刃切入材料顶部，而主切削刃尚未完全进入钻削阶段时，主切削刃对复合材料表面层存在轴向切削力，一个轴向剥离分力在螺旋槽表面随之产生，伴随着钻头进行旋转，表层材料被掀起，进而在入口附近形成剥离分层缺陷；钻头即将钻出材料时，材料剩余刚度随着未切削铺层的减少而变小，当材料层间结合强度不能满足轴向推力强度要求时，在出口周边的铺层之间就会产生脱粘现象，进而造成顶出分层缺陷。

在钻削过程中，因为入口部位受钻头中心向下的轴向钻削力影响很小，而临近出口的铺层受到直接的推力作用，所以在出口附近形成的顶出分层缺陷远比入口的剥离分层明显。为了缓解生产过程中产生的分层缺陷，M.S.Won等人[9]通过实验得出结论，减小横刃长度能够降低轴向力，从而有效减少分层缺陷。C.C. Tsao[10]等人在对空心钻或复合钻的钻削CFRP研究实验时发现，在加工过程中工件的分层缺陷随着轴向力变小而减小，材料去除率增大。叶鹰等人[11]则通过在孔的出口处加装铝合金或者胶带类的垫块来提高钻削加工过程中刀具出口处的刚度，从而大大减少了出口分层缺陷的产生。郭琼等人[12]通过试验研究了钻削参数对CFRP制孔分层缺陷的影响规律，结果表明选择高转速、低进给的钻削参数来进行钻削加工，有利于降低分层损伤。众多实验表明，在CFRP孔加工工艺中，可以通过选择合适的刀具和控制钻孔工艺参数等方法来有效地降低钻削轴向力，从而获得理想孔加工质量[13-15]。通过降低加工过程中的轴向力或者提高复合材料的分层产生临界力都可以减少分层缺陷。

2 出口缺陷

在CFRP进行钻削加工时，经常出现孔的撕裂和毛刺缺陷。相比之下，撕裂缺陷的尺寸比毛刺缺陷大，这对CFRP构件的现实应用也有更大的负面影响。孔边撕裂不仅对装配质量有较大影响，同时也是结构件应力集中部位，因为出口部位的毛刺和撕裂缺陷远比入口部位明显，所以在进行孔口缺陷研究时以孔出口的撕裂研究为主[16]。

出口缺陷是CFRP钻削加工最直观的缺陷，孔加工质量的高低常常可以用出口缺陷的有无和大小来衡量，毛刺和撕裂均发生在孔出口侧的最表面一层，通常产生于复合材料层合板上下表面的纤维铺层处[17]。通过实验观察可以发现，撕裂的方向是沿孔出口侧最外层纤维方向伸展的[18-20]。温泉[21]等人通过微米划痕试验表明，在进行孔加工时，毛刺缺陷容易产生于刀具旋转方向与纤维方向成钝角的区域，而成锐角的区域边缘光滑，在两者方向垂直的区域则容易形成撕裂缺陷。

钻孔出入口撕裂的形成主要有两个阶段。在横刃作用阶段，横刃在钻出表层材料前对出口侧表层材料有强烈的推挤作用，表层纤维层开始以钻头轴线位置为中心发生小的突起，随后突起慢慢变大，同时向外层纤维铺层的方向延伸。延伸到一定程度时，CFRP表层纤维间产生开裂，横刃切出；而在主切削刃作用的阶段，主切削刃的作用一方面表现为与横刃一样的继续向外推挤的作用，另一方面是因其自身旋转而产生扭曲作用。在横刃钻出工件表面后，撕裂缺陷在主切削刃的继续作用下最终形成[22]。因为横刃是负前角切削，所以在切削加工时轴向力的50%以上集中在横刃，在主切削刃和横刃中，横刃的作用占主导成分。

加工工艺参数会直接影响孔壁表面损伤，撕裂现象随着进给速度、钻头直径和轴向钻削力等的增大而越来越明显，但撕裂长度却会随着切削速度的增大而减小[22]。孔出口缺陷除撕裂外还经常存在毛刺缺陷，毛刺常出现在表层纤维被“顺向”切削的部分，而在表层纤维被“逆向”切削的部分则较为整洁。在加工过程中，毛刺缺陷虽然可以通过后续锪孔工序来消除，但是表层撕裂范围一旦超出锪孔直径则无法补救，将会直接导致工件报废。

如果钻刃锋利度不够，会导致复合材料纤维没有完全切断进而造成毛刺和撕裂的产生，因此提高切削刃的锋利性能够有效地解决此类缺陷。在进行孔加工的过程中，由于钻头钻出材料时碳纤维板材料厚度越来越低，钻孔处强度不断下降。当钻头横刃触碰到最外层纤维时，钻头对最外层材料施加与其他纤维层分开的推力，横刃由于负前角而不够锋利，因此孔出口端纤维层不是被切断，而是在轴向力作用下向外退让。如果不对最外层纤维层加以垫实，那么最外层纤维很容易与基体撕开，造成出口撕裂。在孔的出口处垫上软胶木块，从而确保钻削过程中复合材料纤维不偏倒，也可以有效减少毛刺和撕裂缺陷的产生[23]。也可以通过在孔的出口处粘贴可剥布和固化胶层或者加装铝合金垫块来提高钻削加工刀具出口处的刚度，进而避免出口缺陷的产生[11,14]。

3 孔壁表面缺陷

在钻头切入CFRP的过程中，纤维受主切削刃的作用产生剥离，当切削力超过基体树脂的强度或者钻头的切削刃无法在把纤维剥离开的时候同时将其全部切断时，在孔的入口处就会产生开裂并沿着表面层纤维的方向蔓延，造成劈裂缺陷。除此之外，孔壁表面粗糙度也是影响CFRP孔间链接的重要因素。Durão[24]等人通过实验研究发现，CFRP在钻削加工后的孔壁表面粗糙度的值过于分散。因为CFRP增强体和基体材料加工性能的不同，切削加工后纤维表面留有各种凹凸缺陷，其表面粗糙度很难通过公式计算得到[25]。Turki[17]61等人通过实验对CFRP孔壁表面质量进行研究发现，在纤维方向与切削方向呈45°夹角的部位是加工缺陷最严重的区域，其缺陷主要表现为纤维拔出和毛刺；在纤维方向与切削方向呈90°夹角的部位，加工表面质量则明显好于其他部位。

刀具结构和工艺方法会直接影响金属材料切屑的形成过程，为了提高孔壁质量，可以通过改善金属材料的切屑形貌来减少叠层材料的孔壁表面损伤[26]。在选取适当进给速度的条件下，也可以通过提高主轴转速来提高孔加工质量，减少孔壁表面的损伤。另外，不同钻头对孔加工质量也有着很大的影响。R. Piquet[27]等人分别使用标准麻花钻和特殊钻头对CFRP进行加工实验，发现特殊钻头的加工质量比标准麻花钻好很多，产生的最大破坏半径也比较小，相比之下特殊钻头更适于加工CFRP。王明海[28]等人建立了有限元分析模型，对标准麻花钻和薄板钻的加工分别进行研究，发现使用薄板钻加工的质量比标准麻花钻高得多。复合材料孔壁表面损伤会影响到零件的装配质量、疲劳裂纹的位置及扩展速率，同时也会对交变载荷下飞机结构件的连接强度和疲劳寿命有着重要影响[29-31]。在CFRP孔加工的过程中，使材料不受轴向钻削力影响，可以有效改善CFRP孔加工质量。

目前变工艺参数钻削、“以磨代钻”、螺旋铣孔和振动辅助孔加工等新型的孔加工方法被研究开发，通过新工艺加工出来的孔出入口更为平整，分层和孔壁表面的缺陷明显减少[32-35]。

4 结语

碳纤维复合材料拥有高比强度、高比硬度、耐高温和耐腐蚀等优良特性，能够适应各种复杂恶劣的工作环境，而CFRP制品的关键在于零件之间的连接，孔加工质量严重影响到成品的性能。本文主要阐述碳纤维复合材料在孔加工中出现的主要缺陷及其形成机理，并概括了目前提高CFRP孔加工质量的有效方法。随着对CFRP研究和应用的不断深入拓展，对孔加工质量的要求也越来越高，传统的钻孔技术已经不能满足要求，新型高效的刀具开发具有重要的意义，更多高效高质量孔加工技术的研发是CFRP加工制造领域的主要发展趋势。

[1] Davim, J.P. pdavim@mec.ua.pt;Reis, Pedro1.Study of delamination in drilling carbon fiber reinforced plastics (CFRP) using design experiments[J]. Composite Structures,2003,59(4): 481-487.

[2] 乌云其其格,张连鸿,廖子龙. 碳纤维复合材料性能研究及应用[J]. 工程塑料应用,2009,37(10): 37-39.

[3] CHUNG D D L.Comparison of submicron-diameter carbon filaments and conventional carbon fibers as fillers in composite materials[J]. Carbon,2001,39:1119-1125.

[4] Davis D C , Wilkerson J W , Zhu J , et al.A strategy for improving mechanical properties of a fiber reinforced epoxy composite using functionalized carbon nanotubes [J]. Composites Science and Technology, 2011,71(8):1089-1097.

[5] Perret B, Schartel B, Stöß K, et al.Novel DOPO-based flame retardants in high-performance carbon fiber epoxy composites for aviation[J]. European Polymer Journal,2011,47(5):1081-1089.

[6] 张厚江,陈五一,陈鼎昌. 碳纤维复合材料的钻削加工[J]. 新技术新工艺,1998(5):16-18.

[7] Rubio J C C, Abr ão A M, Faria P R, et al.Delamination in high speed drilling of carbon fiber reinforced plastic(CFRP)[J]. Journal of composite materials,2008,42(15):1523-1532.

[8] 金灿强. 碳纤维复合材料高质量制孔工艺[J]. 电子世界,2014(14):295-296.

[9] Won M S, Dharan C K H. Chisel edge and pilot hole effects in drilling composite laminates[J]. Journal of manufacturing science and engineering,2002,124(2):242-247.

[10] Tsao C C, Chiu Y C, Evaluation of drilling parameters on thrust force in drilling carbon fiber reinforced plastic (CFRP) composite laminates using compound core-special drills[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture,2011,51(9):740-744.

[11] 叶鹰,李红卫,龚志强,等. 碳纤维复合材料导弹舱段高效制孔方法研究[J]. 航天制造技术,2014(6):37-40.

[12] 郭琼,李庆飞. 碳纤维复合材料制孔分层缺陷的研究[J]. 科技视界,2015(14):69,158.

[13] 张万君,刘永琪,钱秀松. 碳纤维复合材料的孔加工[J]. 纤维复合材料,2005(3):49-52.

[14] 蔡闻峰,周惠群,何颖,等. 树脂基碳纤维复合材料制孔缺陷及其钻削工艺研究[J]. 工程塑料应用,2005,33(10):32-34.

[15] Lin S C, Chen I K. Drilling carbon fiber-reinforced composite material at high speed[J]. Wear,1996,194(1):156-162.

[16] 鲍永杰. C/E复合材料制孔缺陷成因与高效制孔技术[D]. 大连：大连理工大学，2010.

[17] Turki Y, Habak M, Velasco R, et al.Experimental investigation of drilling damage and stitching effects on the mechanical behavior of carbon/epoxy composites[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture ,2014,87:61-72.

[18] 张厚江. 碳纤维复合材料(CFRP)钻削加工技术的研究[D]. 北京:北京航空航天大学，1998.

[19] König W, Grab P. Quality definition and assessment in drilling of fiber reinforced thermosets[J]. Annals of the CIRP,1989,38(1):119-124.

[20] König W, Grab P, Willerscheid H. Machining of fiber reinforced plastics[J]. Annals of the CIRP,1985,34(2):537-548.

[21] 温泉，郭东明，高航，等. 基于划痕实验的碳纤维/环氧树脂复合材料制孔毛刺与撕裂缺陷形成机制研究[J]. 复合材料学报,2014，31(1)：9-17.

[22] 张厚江,陈五一,陈鼎昌. 碳纤维复合材料(CFRP)钻孔出口缺陷的研究[J]. 机械工程学报,2004,40(7):150-155.

[23] 张云弟. 碳纤维复合材料结构装配过程制孔技术研究[J]. 军民两用技术与产品,2015(12):173-175.

[24] Durão L M P, Gonçalves D J S, Tavares J M R S, et al. Drilling tool geometry evaluation for reinforced composite laminates[J]. Composites Structures,2010,92(7):1545-1550.

[25] Amrinder Pal Singh;Manu Sharma;Inderdeep Singh.A review of modeling and control during drilling of fiber reinforced plastic composites[J]. Composites Part B: Engineering,2013, 47:118-125.

[26] Oliver Pecat, Ekkard Brinksmeier. Low damage drilling of CFRP/titanium compound materials for fastening[J]. Procedia CIRP,2014,13:1-7.

[27] Piquet R, Ferret B, Lachaud F, et al. Experimental analysis of drilling damage in thin carbon/epoxy plate using special drills[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing ,2000,31(10):1107-1115.

[28] 王明海,孙国强. 薄板钻加工碳纤维复合材料仿真研究[J]. 机床与液压,2013,23:120-124.

[29] Saleem M, Toubal L, Zitoune R, et al. Investigating the effect of machining processes on the mechanical behavior of composite plates with circular holes[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,2013,55:169-177.

[30] Karimi N Z, Heidary H, Ahmadi M. Residual tensile strength monitoring of drilled composite materials by acoustic emission[J]. Materials and Design,2012,40:229-236.

[31] Aymen Ben Soussia,Ali Mkaddem .Mohamed El Mansori. Rigorous treatment of dry cutting of FRP-Interface consumption concept: A review.[J]. International Journal of Mechanical Sciences,2014,83:1-29.

[32] 唐晓亮,李勋. 碳纤维复合材料制孔新工艺及实验研究[J]. 航空精密制造技术,2013,49(1):30-33.

[33] 王震,刘汉良,李亮,等. 碳纤维复合材料孔加工质量试验研究[J]. 宇航材料工艺,2013,43(6):88-90.

[34] Jie Liu, Guang Chen, Chunhui Ji, Xuda Qin, Hao Li, Chengzu Ren.An investigation of workpiece temperature variation of helical milling for carbon fiber reinforced plastics (CFRP)[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture,2014,86:89-103.

[35] Ding K, Fu Y C, Su H H, et al.Experimental studies on drilling tool load and machining quality of C/SiC composites in rotary ultrasonic machining[J]. Journal of Materials Processing Technology,2014(12):2900-2907.