碳纤维复合材料钻孔工艺优化

刘佩林，钟 涛，吴 登，陈科竞，宾 璐，王敏辉

(江南工业集团有限公司，湖南 湘潭 411207)

碳纤维复合材料[1]是由有机纤维经过一系列热处理转化而成，含碳量高于90%的无机高性能纤维，是一种力学性能优异的材料，具有比重小、刚性好、强度高、耐高温、耐摩擦、导电及耐腐蚀，已发展成为继铝、钢、钛之后的第四大航空航天结构材料之一，逐渐应用于军工行业中，如喷管、发动机壳体、隔热材料、仪器舱等[2]。而碳纤维复合材料是典型的难加工材料，对刀具要求更高。

1 碳纤维复合材料特性

碳纤维复合材料是由质软而粘性大的基体材料和强度高、硬度大的碳纤维增强材料混合而成的二相或多相结构，其力学性能呈各向异性，层间强度低，钻孔加工时会造成应力集中[3]，在轴向力的作用下容易产生分层。在钻孔时存在如下问题：1)材料硬度大，其硬度值可达53～65 HRC，相当于一般高速钢的硬度，因而刀具磨损很快；2)热导率低，散热慢，刀具不耐磨；3)层间强度低，钻孔时易产生分层、崩边、毛刺等缺陷；4)切屑为粉尘状，对人体健康危害大。

2 生产存在的问题

零件端盖(见图1)生产中存在如下问题：1)件号3有裂纹；2)件号1中M10×1-7H螺纹退刀槽平面存在毛刺。端盖部件原材料组成见表1。

图1 端盖

表1 端盖部件原材料组成

分析产生机理：件号1与件号2是高强钢材料，件号3是碳纤维复合材料，材料硬度均高。在钻孔工序中，需将件号1及件号3钻通，D6AC部分厚度约为3 mm，碳纤维部分厚度为4 mm。采用硬质合金直柄麻花钻钻孔，由于加工材料硬度高，碳纤维材料导热慢，钻头在加工过程磨损快，切屑不能及时排出，在螺纹退刀槽端面挤压形成毛刺；碳纤维材料有分层特点，孔出口端存在横刃顶削，碳纤维呈撕裂状(见图2)。

图2 碳纤维撕裂层

3 碳纤维钻孔工艺优化

3.1 原工艺现状

产品自生产以来，钻φ6.5孔采用硬质合金直柄麻花钻在普通钻床上加工。孔中心与产品中心成18°±10′，用专用夹具将产品垫成18°，螺孔上增加专用钻套，用于钻孔导向。为了使排屑顺畅，麻花钻钻孔过程需退钻、排屑，致使M10×1-7H与φ6.5孔同轴度难以保证，孔壁存在接刀痕；刀具磨损快，往往加工8～10件产品就需要磨刀、换刀，加工效率低；孔出口端由于受轴向推力作用容易产生崩边、撕裂现象，影响产品性能。

3.2 工艺优化

3.2.1 刀具材料的选择

根据碳纤维材料特性和产品工况，考虑使用金刚石刀具材料，但金刚石刀具有一个缺陷，加工过程碰到金属容易碎裂，因此金刚石钻头不能用于碳纤维复合材料与高强钢材料的孔加工。

根据碳纤维和高强度钢的硬度情况，D6AC淬火后，抗拉强度≥1 470 MPa[4]，硬度为45.5～49.5 HRC，碳纤维材料单丝抗拉强度≥3 500 MPa，硬度是钢的7～9倍。考虑用硬质合金涂层刀具，表面涂超硬涂层AIR涂层，AIR涂层介于一般涂层与金刚石涂层之间，接近于金刚石硬度，耐高温，耐磨耗，干湿两用。涂层刀具经表面抛光、镀铬、抛光、涂层、烘干等工序，表面光滑，便于排屑。

3.2.2 刀具结构的选择

由于碳纤维材料存在各向异性与异质性，因此相比其他材料，钻孔时容易出现分层、纤维拔出、吸水膨胀、毛刺、分解等缺陷。根据端盖产品情况，影响产品性能的主要因素是分层。轴向力是影响分层的主要因素，为了避免分层，影响制孔质量，减少横向力是重要途径之一。

孔的加工方式为铣孔与钻孔2个方案。

方案1：铣刀铣φ6.5孔。针对产品出口崩裂的特点，为减小轴向推力，考虑用四刃铣刀铣孔；考虑切屑可能在孔口堆积，为便于排屑，在刀具上刻玉米型断屑槽。φ6.5碳纤维铣刀设计如图3所示。

图3 碳纤维铣刀

方案2：钻头钻φ6.5孔。前期加工是用直柄麻花钻，应不断退钻来排屑，影响孔的表面质量，且刀具磨损快。为改进孔的质量，考虑用预钻孔方式，先钻φ5孔再扩φ6.5孔。由于采取普通钻床加工，须分二道工序完成，产品存在二次装夹，重复定位精度不能满足要求，影响孔的同轴度。根据先钻孔再扩孔的原理，设计阶梯钻，一次装夹，一次成形。

查阅相关文献[5]，使用阶梯钻钻头钻削碳纤维复合材料时，临界轴向力比使用普通钻头提高30%。阶梯钻钻孔与麻花钻钻孔受力情况如图4和图5所示。

图4 阶梯钻钻孔模型

图5 麻花钻钻孔模型

在图4和图5中，F1表示麻花钻钻削轴向推力。阶梯钻钻孔可分为初始钻削阶段和次级钻削阶段，F2表示轴向推力，Q表示次级切削刃施加的周向载荷。采取阶梯钻将轴向推力进行分解，最终突破产品临界推力的机会减小，不致于影响产品出口质量。由此可见，使用阶梯钻比使用麻花钻轴向推力小。

王共冬等认为[6]，阶梯钻直径比率0.561

图6 涂层阶梯钻及结构图

3.2.3 工艺参数选定及工艺验证

碳纤维铣刀铣孔方式如下。

1)在台式钻床(Z512)上铣孔，转速1 200 r/min，切屑成粉末状。由于切削靠四刃切成圆片状，最后一层切屑成片状撕裂。

2)在加工中心(DMU60P)铣孔，φ6.5铣刀，刀轨设置为φ6.7，转速3 000 r/min，进给F20 mm/min，出口进给15 mm/min。虽然刀具进给匀速，但出口端没有改善，仍为撕裂状。

铣刀铣孔存在如下特点。

1)铣削加工为多刃切削，加工效率高，旋转运动有利于高速切削。

2)由于铣削过程中，多齿参与工作，每个齿切削厚度变化，切削力变化，导致切削过程中不稳定，容易产生振动。

3)多齿工作，每个齿间歇工作，有冷却时间，散热条件好，但切入切出时的冲击可能引起刀片碎裂。

从试验情况看，铣刀铣碳纤维材料孔，由于底面没有支撑，最后一层材料容易撕裂，且铣刀直径比孔直径小，铣刀存在蹿动现象，孔同轴度差。

阶梯钻钻孔：由于碳纤维复合材料加工过程中，随着刀具接近出口平面，未切削层厚度减小，所承受轴向推力也逐渐减小，一旦轴向推力超过临界轴向力，则会发生分层现象。因此钻削加工的进给率和刀具几何形状影响轴向推力大小。

用涂有AIR涂层的阶梯钻在加工中心和普通钻床上钻φ6.5孔，工艺参数对比见表2。

表2 阶梯钻钻孔情况

从表2可以看出，在加工中心采取预钻孔和阶梯钻，最后去除余量相对较小，配以低的进给量，孔的加工质量好；在普通钻床，采用阶梯钻，一次加工到位，孔口没有崩边现象，符合产品要求。

在普通钻床上用涂层阶梯钻钻孔加工3件产品，检测结果见表3。

表3 检测结果

用涂层阶梯钻在普通钻床加工的优点如下。

1)由于刀具设计成U型排屑槽，排屑顺畅，端面不会产生毛刺堆积。

2)手动进给，进给速度慢，接近出口处，进给速度更慢，出口端不会产生崩边现象。

3)钻削过程，刀具不需退刀排屑，一次进给，同轴度很好。

4)在现有生产条件下进行加工，适合公司的批量生产。

4 结语

碳纤维复合材料钻孔，通过选择AIR涂层刀具，采取阶梯钻方式，高转速、低进给，解决了刀具易磨损、孔口质量差的问题。

在原有生产条件下进行工艺优化，提高了产品合格率，降低了操作工人的辅助工作时间，提高了刀具的寿命，满足精益生产要求。