简析树脂基碳纤维复合材料制孔缺陷以及钻削工艺

＊霍秀兵 徐强 王海波 姚双

（北京卫星制造厂有限公司 北京 100089）

树脂基碳纤维复合材料经过长时间的行业研究及应用，其优良的抗疲劳性、耐腐蚀性、电磁波的穿透能力三项性能的优势十分突出，已经被广泛应用于高端汽车行业及航空航天等领域。

1.树脂基碳纤维复合材料简介

将使用玻璃纤维等不同类材质作为树脂基碳纤维复合材料的纤维增强体，以此增加机体本身的纤维强度，使得其性能优势得到更显著的应用。树脂基碳纤维复合材料最为显著的性能优势在于其良好的抗疲劳性能，相较于其他复合材料，树脂类符合材料具备更加显著的抗拉伸强度，其疲劳极限甚至为其他材料的N多倍。同时树脂基碳纤维复合材料具备优良的过载安全性和减震性能，同时其成型工艺相对简单，因此被广泛应用于航空航天、汽车等相关科技领域。

1970年美国相关技术人员研究玻璃纤维材料的相关应用性能，开发出新的以树脂为基础的复合材料，这种材料相较于玻璃纤维为基础的复合材料而言就有更好的性能优势，能够极大提升其在各领域的应用。将树脂基碳纤维复合材料首次应用于商务飞机，将八座飞机中涉及的零件全部用树脂基碳纤维复合材料零部件进行替换，极大减轻了飞机的自重，将重量缩减至仅有567kg。后续将此复合材料应用于航天飞机主要零部件构成，通过不断的性能研究，逐步应用于大型商务客机。以此为基础树脂基碳纤维复合材料成果显著，因此被不断尝试在各个领域应用。但面对要求不断提升的制造业，树脂基碳纤维复合材料也无法避免其工艺缺陷。

2.制孔以及钻削工艺简介及复合材质性能分析

制孔是将树脂基碳纤维复合材料进行零件的制造和转配中的重要加工环节，当前制孔工艺主要分为特种技工技术及切削加工技术两种。超声打孔、激光打孔、电火花加工技术共同组成特种加工。在此过程中多数使用非机械能从而最大程度减少和避免加工材料剩余的数量，此加工方式在钻孔过程中对复合材料造成的力学冲击较小，几乎不会造成机械性变形情况，因此多用于小孔和异形孔、微小孔的加工。

航空航天领域相关的飞行器等零部件尺寸均为超常规尺寸，零件的尺寸更大因此特种加工设备无法满足飞行器装备零件的钻孔需求，无法达到其连接装备的要求，因此在此领域的零部件多采用钻孔技术对圆孔进行加工处理。飞行器等相关零件多采用圆孔连接，因此多采用钻削加工方式，相较于常规的金属制孔方法而言，其面临过多的风险及问题。

制孔过程中钻孔位置的精确度、合格率、钻孔处存在劈裂或纤维撕裂等问题，均为树脂基碳纤维复合材料特有的钻孔缺陷，导致复合材料组装和链接过程中装备报废。因此大多数情况下均采用手工制孔，但手工作业势必影响其量产的数量和进度，同时钻孔过程中由于材质本身的特性，起分层和断裂的情况仍无法避免，同时在即将完成时也会出现垂直角度不合规的情况。

(1)力学性能

树脂基碳纤维复合材料具有较强的力学性能，相较于一般符合材料其最显著的是抗疲劳性能，因此其在应用过程中比模量更大，对材料的强度要求更高。具体表现在其良好的强度和刚度两方面。

复合材料的强度主要有其在玻璃纤维为基础的组成材料的强度，混合材料的强度性质和符合所占的百分比决定了材料的最终强度。相较于传统意义的复合材料树脂基的组成成分存在微小的差异，因此其强度性质也在原有基础上有所提升，形成了更有优势的强度特性，这是复合材料的力学性能进步，但在强度提升的过程中，新的缺陷也相应形成。由于复合材料的强度在不同的应用环境下遭到破坏的几率也将相应的提升，主要原因在于复合材料形成过程中两种或者多种材质的分布有出现不规则分布的可能，因此导致复合材质的强度整体分布不均，这将造成承力构成中断裂的风险，同时断裂的方式是不可预期和不可控制的。此外纤维复合材料受到弹性、界面粘结、纤维搭接能技术参数均将对材质的强度造成影响。

复合材料良好的强度性能将对钻孔刀具造成严重的磨损，直接影响制孔精度造成零部件的不合格率直线上升。树脂基碳纤维复合材料本身的力学性能在零部件加工过程中使其难度不断提升，如果碳纤维和树脂基体的结合力相对较差，影响其在制件过程中承受的非纤维轴向负荷及冲击的能力，导致较低的压缩强度。如果钻头轴向给予较大的力度冲击，就会造成零部件出现孔口劈裂，材质中间分层，叠合处起毛或者断裂等问题。

传统的钻孔技术无法避免力学风险，因此钻削过程中材质裂纹及钻口出口处及周边的材质分层情况几率极高。不断对质控及钻削工艺的相关参数进行不间断的改善和调整，是逐步解决树脂基碳纤维复合材料的主要研究方向，从而提升制件整体的制作水平。

(2)刚度性能

树脂基碳纤维复合材料相较普通复合材料而言具备更好的刚度性能，组成材料刚度的性质和复合材料的百分比决定最终的刚度特性。树脂为基础的复合材料本身具备较好的弹性特性使其拥有较好的混合效应。其刚度特性较为平均，在整体刚度和强度方面呈现更佳状态，具有明显的竞争优势，从而达到广泛的应用领域。

较好的刚度性能直接影响材质的硬度，常温状态下高速钢钻头与复合材质的硬度十分接近，通常利用高速工具钢或者碳素工具钢对材料进行加工，而此条件下对于刀具磨损的情况较为严重，为了避免不合格率的提升操作过程中需要不断的对磨损刀具和钻孔进行替换和安装，而频繁的替换干扰常规的机械加工做作业，同时增加了钻削成本。因此实际钻孔过程中必须严格参考复合材料的韧性、硬度等参数，同时关注进刀量和润滑液的数据，控制钻削速度，避免树脂基碳纤维复合材料操作过程中出现纤维崩断的情况。

(3)化学性能

树脂基碳纤维复合材料的化学性能取决于基底材料的化学组成，每一种复合材料原有的化学性能均会影响最终复合材料化学属性，其或多或少的化学性能差异，均会对最终材料造成影响。复合材料本身就是有两种或多种有机物质组成，因此其本身容易受到一些含有化学成分的溶剂或物质相关反应产生化学变化，有可能最终导致有机溶剂的溶胀、侵蚀、溶解甚至被腐蚀的情况发生。由于组成基底的材质有所不同，树脂基碳纤维复合材料针对化学物质的反应变化也将出现差异。通常状态下树脂基碳纤维复合材料均具备耐盐、耐强酸、耐酯等特性，通常情况下不具备耐碱的特性，这是由于复合材料均为机器建设，受到人们对水的普遍重视，当其遇到水的时候，自身的介电强度将会不同程度的下降，因此水对于复合材料的化学性能造成影响，同时影响复合材料的力学性能。

树脂基碳纤维复合材料在水的作用下，其自身的力学性能和化学性能将会彼此相互影响，而树脂材质本身具备的化学聚合物将会受到高温影响产生耐热焦炭反应。当复合材料本身物质得到挥发后，其剩余的分解物质继续和复合材料发生反应，从而进一步提升材质本身的耐热程度，产生新的复合材质力学性能，例如抗震性能的生成。

3.制孔和钻削工艺的改善方案

(1)参数调整

对于树脂基碳纤维复合材料制孔和钻削过程中，使用的钻头轴向进给力是直接导致零部件出现缺陷的重要原因之一，因此在加工进行中必须时刻关注钻头的集合参数和钻削的工艺参数，同时做出相应的调整，保持和控制钻头轴向进给力始终保持在合理范围内，避免出现钻头轴向进给力过大的情况，从而确保零部件的合格率。通过长时间的实践验证，加工过程对于制孔和钻削参数调整能够有效提升连接孔的质量。针对不同的复合材料和钻孔要求，时刻关注钻头的角度，钻芯的厚度参数，螺旋角的角度调整，在操作过程中后角对于钻削性能的影响显而易见，时刻保持角度的正确性，从而将钻头形状进行改善，能够有效避免双刃的钻透效果，从而提高制件的质量。

(2)工艺改善

树脂基碳纤维复合材料按照实际图纸和加工组建的实际需求选择恰当、合适的制孔工艺，从而确保制孔和钻孔质量，杜绝缺陷发生的有效途径。针对复合材质的钻孔和钻削操作中，保持整体的麻花钻钻孔达到最佳的效果，需要保持良好的制孔率，需要关注树脂基碳纤维复合材料表面加工的细节处理。实际操作中可以增加出口接触面的垫板，夹层胶木板等是不错的选择。同时控制钻头钻透过程中的钻速，始终保持低进给量的操作步骤，某种程度上能够降低和避免树脂基碳纤维复合材料出现分层和劈裂等现象。制作8毫米以上的孔径钻孔时，可选用镗进行操作，或者先选用硬度较大的合金钻头进行小孔操作，后续选用电镀金刚石套料钻在原有钻孔的基础上进行扩充，这种钻孔工艺能够有效避免操作过程中切削力过大对于接触面造成的影响，避免材质受力断裂，从而提升钻孔和钻削的合格率。

实际操作过程中铰孔工艺均会预留铰孔余量，在后续钻孔中借助低转速的硬质合金短铰刀进行铰孔，在锪窝是将钻口的出口免设置在锪窝面，确保硬质合金锪窝钻能够保持低速运转。也可以选择金刚石材质的锪窝钻进行高速钻孔，两种操作均能够达到良好的钻孔效果。值得注意的是锪窝钻需要在旋转后才能接触复合材质零部件进行加工制作，从而避免表面纤维的用力不均，导致纤维劈裂情况的发生。

(3)刀具的改进

常规钻孔工艺使用的刀具如果出现严重磨损，或者起毛的情况时，针对这种必然会进行钻头的更换，从而确保零部件的准确性能。针对树脂基碳纤维复合材料的性能和实际加工过程，对使用的制孔和钻削刀具有针对性的改善和调整，选用具备更高强度性能的刀具，保证零部件加工质量的前提条件下，最大程度的避免刀具的磨损，从而从根本避免频繁更换刀具的操作，提升加工效率和质量。目前根据国内外现有的制孔和钻削技术经验的总结，发现通常情况下钨钴材质硬质合金能够达到较强的硬度要求，合金中加入其它材质提升其弯曲强度和韧性，从而达到更好的刀具效果。在实际刀具操作过程中有效的降低钻削的崩刃的现象。除此之外还可以选用人造金刚石刀具，其良好的硬度同样能够确保较好的零部件合格率。针对不能零部件的尺寸，加工难度等要求，选用对应的刀具进行加工，能够有效的控制其制件质量。

4.结语

树脂基碳纤维复合材料更能够适应飞机、航空航天、建设、汽车制造业等对于新兴材质的性能要求，达到更为轻质的结构属性，因此现阶段对于复合材质的需求逐步提升，逐步取代常规的铝合金材质，这给树脂基碳纤维复合材料的快速发展提供了更佳的契机。而机械钻削是零部件加工的最后工序，提升其质控和钻削的效率和成功率，能够加速经济体制的快速发展。

现价段树脂基碳纤维复合材料的制孔及钻削工艺尚未成熟，其操作和加工过程中的缺席仍然无法避免，因此改善制孔工迫在眉睫。随着技术科研水平的不断提升，树脂基碳纤维复合材料有原有的几种发展到目前的几十种，更加需要加工工艺的优化和改善，从而发挥符合材料的高性能。使其拥有更加广阔的应用空间和价值。