高模量树脂基碳纤维复合材料钻孔加工缺陷分析

程桂香

摘 要：碳纤维材料具有极高的性能，其内部含碳量比较高，对有机纤维进行转换与热处理之后，可获取高质量的无机纤维材料，该材料在力学性能方面存有比较多的优势，与金属、树脂以及陶瓷等常见的基体材料有效复合之后，可被制作成新型结构材料，树脂基碳纤维型符合材料在工业加工领域中具有极为广泛的用途，对其进行钻孔处理时比较容易产生缺陷，现分析因钻孔加工处理而形成的缺陷问题。

关键词：高模量；树脂基碳纤维；复合材料；钻孔加工；缺陷

树脂基碳纤维复合材料主要有碳纤维材料与树脂材料构成，这种复合材料具有极高的强度，其热膨胀系数低于同类复合型材料，具有的实际比模量相对比较高，因此在汽车、能源开发以及航空领域中使用，在运用这种材料时，经常需要展开钻孔加工处理，受到材料自身具有的性质的影响，材料在受到钻削力的冲击后，比较容易产生多种缺陷，复合材料的使用价值随之降低，现探讨钻孔加工给具有高模量特点的树脂基碳纤维材料带去的影响。

1 树脂基碳纤维材料以及加工缺陷问题分析

复合型树脂基碳纤维材料具有的优势性能值得肯定，但是其缺陷问题也必须被加工者注意到，避免产出缺陷明显的工件。该材料属于多相型材料，具有较为突出的各向异性，尽管整体强度水平高，但是层间强度比较低，在进行钻削处理工作时，材料会随之产生异常的分层、撕裂以及毛刺等缺陷，加工质量也因此而降低。而将该种材料应用到航空领域中时，切边与钻孔是出现频次最高的加工行为，应用普通的刀具加工这种新型复合材料时，刀具也会被材料严重磨损，刀具的使用时间也因此而被缩短。展开切削加工活动时，缺陷问题会受到预设加工参数的影响，如果在没有解决加工缺陷问题的条件下，继续增加材料的进给量，毛刺与撕裂两种缺陷问题都会变得更加严重。

在处理切削加工环节的技术缺陷问题时，加工人员将该种缺陷存在的区域化的特点当做研究缺陷问题的切入点，探究缺陷特点的形成原因，同时对材料分层与钻削轴向力参数间的关系加以考察。

2 基本试验参数

试验所用机床为工研精机立式加工中心KT1300VC，钻头为郑钻 f 16 PCD麻花钻。试验所采用的测力仪为kistler9257B动态测力仪。试验所用工件材料为高模量碳纤维树脂基复合材料板料，增强纤维类型为M55，纤维体积分数为25%，厚度为2mm。钻削切削的参数主要有切削速度和进给量两个因素。设计试验以转速和进给量为变化因素进行全因素试验。

3 缺陷分析

3.1 分层缺陷分析

在钻削碳纤维复合材料时，当层间的载荷超过层间的粘结强度时，分层就会发生。Hocheng等根据经典的平面弯曲理论和线弹性断裂机理分析了钻削CFRP时的分层机理，并对分层发生时临界轴向力的计算公式进行了推导，结果

其中，GIC是层间的断裂韧性，是材料常数，表示材料对裂纹扩展的抵抗能力，E是拉伸模量，h为未切削层厚度，ν是泊松比，抗弯刚度M=。

本文沿用此计算公式对钻削轴向力和分层之间的关系进行分析。通过临界轴向力与实际轴向力的对比，可以对分层的发生进行预测。进而选择合理的切削参数，控制切削力大小，预防分层的发生。

分层缺陷是因为材料的临界轴向力小于层间载荷，一般在钻孔部位的中间与入口处并不容易发现分层缺陷问题，但是对出口位置进行考察之后，可以发现明显的分层缺陷问题，未切削处理部分的厚度在减少，临界轴向力数值过小，分层缺陷的情况随之产生，处理分层缺陷的难度比较高，对材料进给量进行控制，可以化解该缺陷。

进给量为0.05mm/r时，实际轴向力和出口临界轴向力大小近似，因此分层较小；当进给量为0.10mm/r时，实际轴向力大于出口临界轴向力，分层因子有所增大；当进给量为0.20mm/r时，实际轴向力明显大于出口临界轴向力，分层因子增加明显。

根据钻削试验得到的经验公式fz=292.3479Vc0.0047fz0.4994

令fz=fcrit=65.08，切削速度VC對轴向切削力影响忽略不计，可以求得分层不发生的最大进给量为fcrit=0.0496mm/r。因此，在碳纤维复合材料的钻削加工中，应根据实际钻削轴向力的大小，选择合适的进给量，从而减小分层缺陷。

3.2 毛刺缺陷分析

在观察毛刺缺陷时，发现所有的毛刺缺陷都发生在孔表层特定的位置。可见毛刺的产生与切削速度与纤维方向之间的夹角有关，定义此夹角为切削角f。在钻削过程中，随着钻头的旋转，切削角f在0°～180°之间循环变化。当f位于0°～90°之间时，钻头会对工件材料产生正方向的剪应力；当f位于0°～90°之间时，钻头会对工件材料产生负方向的剪应力。因此可以将钻头钻削工件材料过程分为两类，当切削角为锐角时称为正剪切，当切削角为钝角时称为负剪切。而毛刺缺陷只存在于切削角大于0°而小于90°的区域之内，即正剪切区域。说明正剪切时，工件材料不容易被剪断，容易形成毛刺缺陷。根据复合材料力学可知，碳纤维复合材料拉伸强度和压缩强度不同，因此在承受正剪切和负剪切时材料所具有的剪切强度相差很大。

通过前文的分析，可以确定如果待加工的材料保持负剪切状态，其被有效剪切的可能性随之增加，主要是因为材料在这种状态下，正剪切状态的临界剪切应力高于实际临界剪应力。结合材料力学的相关理论可以确定，如果加工工件的角度在45°作用时，正剪切应力与工件的纤维材料部分受到的真实拉应力相等，同时在横向这一方向会受到压应力的影响；负剪切的情况与正剪切的状况完全相反。从纤维方向来分析该材料，发现其抗压强度低于抗压强度，同时从横向的展开分析，发现抗拉强度小于抗压强度，因此确定处于负剪切状态的工件被切断的可能性更大。负剪切与正剪切两种加工活动均会给工件的强度带去影响。进行正剪切工作时，如果施加的临界剪切力度比较大，工件就不会被轻易切断，因此也更容易产生毛刺缺陷问题；负剪切的条件下，具体的临界剪应力相对比较小，相比另外一种情况，工件更容易被直接切断，毛刺缺陷也被消除。在对材料进行钻孔处理时，毛刺缺陷的分布具有区域性的特点。

4 结束语

本文以有碳纤维与树脂复合而成的新型碳纤维复合材料为研究对象，针对钻削加工活动的情况，分析了材料可能产生的缺陷问题，重点分析了分层缺陷与毛刺缺陷。受到材料本身存在的性能特点的影响，这两种缺陷极易产生到材料上，在处理这两种缺陷问题前，必须先了解缺陷的形成原因和主要分布区域，确定材料上的缺陷问题之后，必须立即处理该复合型材料，保持材料的质量，提升由树脂基碳纤维材料制备的工件的品质。

参考文献

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