碳纤维复合材料不同制孔工艺技术分析

李西

摘要：碳纤维复合材料具有以下优点：一是，强度高；二是，抗化学腐蚀性能优秀；三是，比模量高。基于上述优点，促使其被广泛应用于高精尖领域，但碳纤维复合材料经常会在制孔时发生问题，使制孔质量下降，不利于碳纤维复合材料的应用。本文通过对碳纤维复合材料不同制孔工艺技术进行分析，希望对提高制孔质量有所帮助。

关键词：碳纤维复合材料；制孔工艺技术；预制孔

引言：

碳纤维材料作为一种现代复合型材料，由于其材质较轻，且具有较强的适应能力，因而被广泛应用于航空航天事业之中。飞机在制造过程中，钻孔是一道非常重要的工序，但受到碳纤维材料向异性和异质性的影响，在进行钻孔时，非常容易出现缺陷问题。因此，对碳纤维复合材料不同制孔工艺技术进行分析，具有十分重要的意义。

一、碳纤维复合材料制孔缺陷

起毛和撕裂是碳纤维复合材料在制孔加工过程中经常出现的缺陷[1]。其中撕裂缺陷的尺寸相对较大，对于碳纤维复合材料的影响也非常大，因此，本段内容将撕裂作为主要的研究对象。撕裂与起毛的产生位置大致相同，孔出口侧的表面一层经常出现撕裂和起毛缺陷，并且撕裂会顺着孔的出口处向外延伸。

碳纤维复合材料的形成可以划分为两个阶段，第一个阶段是横刃作用阶段；第二个阶段为主切削刃作用阶段。由于横刃集中了半数以上的轴向力，因而横刃作用是导致碳纤维复合材料缺陷的主要原因。据有关实验表明，在横刃钻出的短时间内，就会导致复合材料出现较大的撕裂长度，并且轴向力不仅会导致材料出现撕裂缺陷，起毛缺陷也会随之产生。但却仅局限于表层纤维被逆向切削的部位，而横向切削部分，则很少发生起毛和撕裂缺陷。

二、碳纤维复合材料不同制孔工艺技术分析

（一）轴向力制孔工艺技术分析

碳纤维复合材料主要有两种分层形式：一是入口处的剥离分层，其产生的原因是钻削时刀具螺旋槽斜面会产生一个力，这个力就是所谓的轴向力，由于受到轴向力的影响，致使碳纤维复合材料分层；二是出口分层，这个分层是复合型材料最明显的分层，其产生原因为，在钻削复合材料时，刀具会逐渐向出口平面靠拢，在靠拢的同时，切削层的厚度会逐渐减少，其所承受的轴向力也随之降低，一旦轴向推力大于临界轴向力，复合材料即会出现分层。

（二）麻花钻轴向力制孔工艺技术分析

麻花钻轴向力制孔工艺模型如图1所示：

麻花钻制孔工艺技术属于传统的碳纤维复合材料制孔工艺技术，由图1可知，在使用该技术进行制孔时，我们可以看出碳纤维复合材料层压板会体现多种性能，例如：弹性、向同性等，结合相关力学理论，我们可以得到下述公式：

Fb.dc=du+2∏aGicDA；

在上述公式中Fb代表的是钻削推力；dc代表的是刀具位移；du代表的是应变能；a代表分层半径；Cic代表的是临界裂纹能量；DA代表的是裂纹变化量，并且这个变量呈增加状态。继而得到有关应变能的公式为：U=8∏MX2/a2。其中M代表的是复合材料的刚度。

（三）阶梯钻轴向力制孔工艺技术

阶梯钻轴向力制孔工艺技术属于一种新型的制孔工艺，其轴向力模型如图2所示。

在图3中，F代表的是轴向推力；Q是周向载荷；而b为钻头的半径。钻头在进行二次制孔时，则可以采用公式FT=2∏/1-U2，对裂纹拓展推力进行计算。

三、优化碳纤维复合材料制孔工艺技术的建议

通过对上述几种制孔工艺技术进行分析，我们发现，在应用上述工艺进行制孔时，很难确保制孔的质量，究其原因，主要是制孔刀具对于制孔质量具有决定性的影响[2]。因此对制孔刀具和刀具结构参数进行优化和改正十分关键。而制孔工艺参数的确定，则为制孔刀具及其结构参数的优化和改正创造了有利条件。结合刀具影响的变化趋势，制定实验方案，对上述几种制孔方法进行验证，可以为制孔刀具结构和制孔工艺参数的调整，奠定坚实的基础。

（一）优化钻头的横刃结构

通过实验的方式，对未经优化的探头与优化过后的探头进行比对，对其性能差异进行分析。

扭矩和轴向切削力是实验主要检测的内容，通过分析制孔后两个探头磨损情况和制孔质量，我们可以得到以下结论：经过优化后的制孔探头，其轴向切削力显著提升，并且扭矩也相应的减少。优化后的钻头具有以下几方面的优点：一是钻头顶部相对较尖，具有良好的定心效果，采用手持方式即可完成制孔；二是横刃部分前角较正，且锋利程度高，有利于降低扭矩；三是添加容屑槽，会增强排屑的效果；四是利用圆弧的方式，将主切削刃和横刃进行连接，有利于防止应力过于集中，该位置的破损情况也得到改善。

（二）对钻头螺旋角进行优化

通过实验，我们可以得到不同的钻头参数，例如：钻头顶角参数、钻头螺旋角参数、钻头螺旋后角参数等，通过对这些参数进行明确，从而掌握钻头几何参数对制孔质量和刀具使用寿命的影响。

根据实验结果，我们可以得到以下结论：一是随着主切削刃位置的变化，钻头螺旋角的位置也会发生改变，离钻头中心距离越近，螺旋角度会随之变小。究其原因，主要是螺旋角其实就是主切削刃的前角，因而，螺旋角与钻头锋利程度呈正相关的关系，但是螺旋角却不宜过度加大，如果螺旋角增加量超出限度，则会对钻头强度造成影响。想要确保螺旋角增加值不超过限度，采用计算软件，对螺旋角增加情况进行模拟，可以准确测算出螺旋角角度变化对切削力的影响规律。据实验结果表明，如果钻头直径不超过6毫米，选择角度为25°的钻头即可保证制孔的质量。

（三）优化钻头顶角

钻头顶角对于制孔质量的影响十分严重，结合实际情况，可以采用计算机软件进行模拟试验，继而得到顶角与切削力之间的关系，再通过切削试验，对二者关系进行明确。

实验结果表明，在钻头顶角发生变化的同时，碳纤维复合材料向力也会随之发生变化，并且二者存在正向关联，简言之，就是钻头顶角加大，向力会同时增加。究其原因，主要是钻头顶角加大，会减少主切削刃的长度，削刃负载会同时缩小，轴向力下降明显。

结论：

碳纤维复合材料由于具有强度高和适应能力强的特点，被广泛应用于航空航天领域。但是在加工制孔過程中，却容易受到多种因素的影响，使材料出现一些缺陷，不利于使用。因此，对碳纤维材料制孔工艺技术进行分析，并提出优化工艺技术的建议，具有十分重要的现实意义。

参考文献

[1]龙文彪.碳纤维复合材料制孔问题研究[J].科技创新导报，2018，15（27）：125-126.

[2]王共冬，彭天，李映池，等.碳纤维复合材料不同制孔工艺技术研究[J].玻璃钢/复合材料，2017（06）：46-50.

（作者单位：中航飞机股份有限公司）