碳纤维增强复合材料铣削和钻孔技术研究进展

赵正兴 刘传瑞 庞中强 张玉庆 陈莹

摘 要：碳纤维增强复合材料是当前应用最广泛的一类复合材料，具有较强的耐高温性能、抗腐蚀性能、较低的热膨胀系数以及比模量高等一系列特点。本文从纤维方向角和加工参数与刀具材料两个方面入手，对碳纤维增强复合材料铣削加工质量的影响因素展开分析，同时对碳纤维增强复合材料铣削加工技术要点和钻孔技术要点进行深入研究，希望能为相关研究工作的开展提供参考。

关键词：碳纤维增强复合材料；铣削加工技术；钻孔技术

前言：与传统的金属材料相比，碳纤维增强树脂基复合材料与碳/碳复合材料凭借较高的强度和比模量高等性能，被广泛的应用到航空航天领域中。但是由于碳纤维增强复合材料自身的脆性较大以及层间剪切强度相对较低，所以在实际的加工过程中往往会出现分层、撕裂或者毛刺等加工缺陷问题。本文针对碳纤维增强复合材料的加工问题，从铣削与钻孔两个角度进一步讨论碳纤维增强复合材料的加工工艺。

一、碳纤维增强复合材料铣削加工技术要点

（一）碳纤维增强复合材料铣削加工质量的影响因素

碳纤维增强复合材料铣削加工表面质量的高低会直接影响到碳纤维增强复合材料铣削加工工件的实际应用性能，为了有效保障加工工件自身的耐磨性能、抗疲劳性能以及抗腐蚀性能，需要从碳纤维增强复合材料铣削加工质量的影响因入手，深入研究各类影响因素对碳纤维增强复合材料铣削加工质量以及工件装配精度的关系。通过对相关文献资料的分析，笔者将碳纤维增强复合材料铣削加工质量的影响因素进行以下总结：第一，纤维方向角。纤维方向角是影响碳纤维增强复合材料铣削加工质量的关键性因素之一，相关研究结果表明，纤维方向角处于0～45°之间，碳纤维增强复合材料铣削加工表面质量较好，当纤维方向角处于45°时，其加工表面质量表现最优，超过45°时，加工表面质量呈下降趋势；第二，加工参数与刀具材料。加工参数对于碳纤维增强复合材料铣削加工质量的影响规律如下：随着进给速度的不断增大，加工表面的粗糙程度也会随之增大。随着切削速度的不断加快，碳纤维增强复合材料铣削加工表面粗糙程度会随之减小。

（二）铣削刀具的研究要点

碳纤维增强复合材料在进行切削加工过程中，由于无法采取切削液冷却操作，所以加工刀具往往会因为切削区温度过高而对刀具的使用寿命造成较大的影响，加工工件表面质量以及加工精度也会有所降低。对此，在进行碳纤维增强复合材料铣削加工时，一般会要求刀具材料具有较强的硬度、较好的耐磨性能以及摩擦系数相对降低等一系列特点，同时刀具刀刃需要保持一定的锋利，以此来降低碳纤维增强复合材料铣削加工过程中毛刺、分层、崩边等加工缺陷的出现几率[1]。从碳纤维增强复合材料铣削刀具的研究现状来看，应用最为广泛的一类铣削刀具材料为硬质合金，涂层大多会以低压化学气相沉积金刚石涂层为主，一些聚晶金刚石涂层与立方氮化硼涂层等超硬材料也有一定的应用。

（三）铣削力的研究要点

对于碳纤维增强复合材料铣削加工技术中铣削力的研究，主要是利用建立铣削力模型的研究方式开展，通过对切削参数的合理预测，从而为碳纤维增强复合材料铣削加工质量的控制工作进行有效控制。比如：在实际的铣削力研究过程中，采用经验建模的方法，通过大量的碳纤维增强复合材料铣削力试验，借助多元线性回归的方式，科学建立碳纤维增强复合材料高速铣削力经验公式，同时利用方差对铣削力经验公式的可靠性进行验证[2]。

二、碳纤维增强复合材料钻孔加工技术要点

（一）超声振动钻孔技术

在碳纤维增强复合材料钻孔加工技术的研究过程中，超声振动钻孔技术是一种周期性的脉冲切削技术，与非连续性的切削技术相比，超声振动钻孔技术主要是借助超声波加工技术和机械加工技术两者的有效融合，由此形成的一种新型碳纤维增强复合材料钻孔切削技术。超声辅助钻孔技术在实际的碳纤维增强复合材料钻孔加工过程中，是建立在传统钻削机床加工运动的基础上，通过对旋转钻削工具施加超声振动的方式，实现对碳纤维增强复合材料钻孔技术的超声辅助钻削。此外，与传统的碳纤维增强复合材料钻孔技术相比，超声振动钻孔技术是一种断续切削技术，所以在进行钻孔排屑时表现的非常及时，从而有效降低切削力以及切削温度，在改善加工工件表面质量的同时，进一步延长刀具的使用寿命。

（二）螺旋铣孔技术

螺旋铣孔技术是一种新型的碳纤维增强复合材料钻孔加工技术，在加工过程中一般会利用刀具的自转，以绕孔中心轴线做公转运动的方式沿轴向进给，这时刀具中心的运动轨迹会呈现出螺旋线路。与传统的碳纤维增强复合材料钻孔技术相比，螺旋铣孔技术具有更多的应用优势，比如：可以有效降低切削力和能够及时排屑和进行散热，同时有利于实现对一把刀具进行不同直径孔的加工，在充分发挥出刀具加工优势的基础上，有效降低碳纤维增强复合材料钻孔加工的生产成本。从当前的碳纤维增强复合材料螺旋铣孔技术的研究来看，为了有效优化螺旋铣孔的切削力，可以通过建立纤维方向角切削力机械模型的方式，利用相应曲面的计算法来合理设置切削力系数。

总结：综上所述，碳纤维增强复合材料是当前航空航天领域中最为常见的复合材料，碳纤维增强复合材料的加工质量会直接影响到航空器的飞行安全。为了进一步提高碳纤维增强复合材料的加工质量，还需要从碳纤维增强复合材料铣削加工质量的影响因素、铣削刀具的研究要点以及铣削力的研究要点等多个方面进行综合考虑。只有真正认识到碳纤维增强复合材料的性能优势，才能创造出更大的研究价值。

参考文献：

[1]刘振旺，秦旭达，田利成.碳纤维增强复合材料与钛合金钻孔技术研究进展[J].航空制造技术，2016（17）：71-76.

[2]單晨伟，吕晓波.碳纤维增强复合材料铣削和钻孔技术研究进展[J].航空制造技术，2016（15）：34-41.