碳纖維復(fù)合材料制孔分層缺陷的研究

郭 瓊 李慶飛

（中國商飛上海飛機設(shè)計研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計研究部，中國 上海201210）

0 引言

碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)作為一種先進材料，具有重量輕、比強度大、耐腐蝕、耐疲勞等一系列優(yōu)點，在航空航天、汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在CFRP的鉆削過程中，其已加工孔除有傳統(tǒng)金屬材料的制孔缺陷(如孔的尺寸、位置誤差)外，由于CFRP是由質(zhì)軟而粘性大的基體材料和強度高、硬度大的碳纖維增強材料混合而成的二相或多相結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能呈各向異性，層間強度低，切削時在切削力的作用下容易產(chǎn)生一些復(fù)合材料所特有的損傷缺陷。制孔缺陷區(qū)域主要存在于孔的入口、中間層和出口處，主要包括孔出口撕裂和毛刺、制孔分層損傷、孔壁微裂紋、凹陷和纖維拔出等[1]。據(jù)統(tǒng)計，在航空制造領(lǐng)域，飛機組裝時鉆孔不合格率占全部復(fù)合材料構(gòu)件報廢率的60%以上[2]，因而成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。

1 分層缺陷形成機理

在CFRP的制孔加工中，分層損傷是鉆削加工中的最重要的一類缺陷，是影響孔的連接裝配性能的重要因素，一旦產(chǎn)生則不可修復(fù)，對復(fù)合材料的強度和壽命有著致命的影響。分層是指由層間應(yīng)力或制造缺陷等引起的復(fù)合材料鋪層之間的脫膠破壞現(xiàn)象。制孔工藝中的分層主要是由加工過程中軸向力作用而引起的孔壁周圍材料發(fā)生的層間分離現(xiàn)象。從鉆削機理的角度來分析，鉆頭在鉆削CFRP時主要產(chǎn)生兩個作用力，即軸向力和扭矩。其中，軸向力產(chǎn)生垂直應(yīng)力，引起I型撕裂破壞；扭矩會產(chǎn)生面外剪切應(yīng)力，引起III型裂紋破壞；鉆孔分層和撕裂主要是由于這兩種類型裂紋破壞作用的結(jié)果，而鉆孔偏斜則會產(chǎn)生II型裂紋，如圖1所示[3]。

圖1 CFRP復(fù)合材料的鉆削裂紋形式

CFRP的鉆削分層機理可以表示為：

式(1)中L為鉆削制孔總分層，LF為軸向力引起的分層，LM為扭矩引起的分層。

在整個鉆孔過程中，分層主要進過孔的入口側(cè)、中間部和出口側(cè)，其各部分分層機理如圖2所示。

鉆頭主切削刃在開始切削碳纖維時，碳纖維受推力而與鉆頭前部未切削部分間產(chǎn)生一面外剪切應(yīng)力，引起III型裂紋破壞；鉆頭前端對未切削部分會產(chǎn)生一個軸向向下的推力，但由于未切削部分相對已切削部分來講厚度還較大，承載能力較強，故軸向力引起的未切削部分與已切削部分間的垂直應(yīng)力會很小，所以入口側(cè)主要以III型裂紋破壞為主。

當(dāng)鉆頭鉆至層合板中間部分時，已鉆削部分己較厚，抗扭能力已較強，III型裂紋破壞消失，而這時I型裂紋破壞作用還不強，故層合板中間部分幾乎無分層產(chǎn)生。

鉆頭在鉆至出口側(cè)時，由于鉆頭前端未切削層厚度已很薄，在鉆削軸向力的作用下，勢必會產(chǎn)生較大的變形，從而引起未切削部分與已切削部分間的較大垂直應(yīng)力，造成I型裂紋破壞；而這時雖扭矩也存在，但由于已切削部分已很厚，故III型裂紋所引起的破壞較小。故出口側(cè)分層主要由I型裂紋的破壞所引起。

圖2 鉆孔時各部分分層機理示意圖

圖3 分層評定示意圖

目前國際上有關(guān)CFRP鉆削分層的評價指標(biāo)主要有三種：一維分層系數(shù)，二維分層系數(shù)和修正分層系數(shù)。其中一維分層系數(shù)(Fd)評價標(biāo)準(zhǔn)因簡單易測量的優(yōu)點應(yīng)用最廣泛。圖3所示為分層評定示意圖。本文主要以一維分層系數(shù)(Fd)來衡量鉆孔時的分層程度：

式（2）中，Dmax代表最大分層直徑，Dnom代表名義鉆孔直徑[4]。

2 分層缺陷的試驗研究

本節(jié)將重點研究鉆削參數(shù)對CFRP制孔缺陷的影響規(guī)律。相關(guān)研究[2]已表明主軸轉(zhuǎn)速（n）和進給率（f）是影響制孔缺陷的關(guān)鍵因素，并且進給率的影響要遠大于主軸轉(zhuǎn)速的影響。因而，在試驗參數(shù)設(shè)計時，將主軸轉(zhuǎn)速的范圍設(shè)置較大，而進給率的變化范圍設(shè)置較小，以全面反映主軸轉(zhuǎn)速和進給率對制孔缺陷的影響。將n的水平設(shè)置為：6000、8000和10000rpm；f的水平設(shè)置為：0.01、0.02和0.03mm/rev。試驗過程中，制孔入口分層區(qū)很小，與出口分層區(qū)相比幾乎可以忽略不計，故僅考慮出口處的分層。采取單因素試驗方法進行試驗，以一維分層系數(shù)(Fd)作為評價指標(biāo)，圖4至圖7所示分別為CVD涂層匕首鉆、無涂層匕首鉆、CVD涂層麻花鉆和無涂層麻花鉆制孔時進給率（f）與分層系數(shù)(Fd)之間的關(guān)系圖。

圖4 CVD涂層匕首鉆f與Fd的關(guān)系

圖5 無涂層匕首鉆f與Fd的關(guān)系

由圖4和圖5可見，對于匕首鉆和麻花鉆而言，進給率越大，分層系數(shù)越大，這是因為出口分層主要是由鉆削軸向力所引起，進給率的增大將會導(dǎo)致軸向力的增大，進而加劇材料的分層損傷。相反，主軸轉(zhuǎn)速的提高則有利于分層系數(shù)的減小，其原因主要是主軸轉(zhuǎn)速的增加降低了鉆削軸向力，從而降低了CFRP的制孔分層損傷。比較圖6與圖7，CVD涂層麻花鉆在鉆削過程中由于主切削刃處有金剛石涂層的良好減磨與抗磨作用，故在相同鉆削參數(shù)下，分層系數(shù)要略小于無涂層麻花鉆，具有更優(yōu)異的制孔性能。

圖6 CVD涂層麻花鉆f與Fd的關(guān)系

圖7 無涂層麻花鉆f與Fd的關(guān)系

圖8 試驗鉆頭軸向力(Fa)與分層系數(shù)(Fd)的關(guān)系圖

圖8所示為4把鉆頭鉆削CFRP時軸向力(Fa)與分層系數(shù)(Fd)之間的關(guān)系曲線。由圖8可見，軸向力(Fa)對分層系數(shù)(Fd)有正效應(yīng)，隨著Fa的增大Fd呈急劇上升趨勢。在相同的Fa作用下，CVD涂層麻花鉆的Fd最大，匕首鉆的Fd要小于麻花鉆的Fd。至于CVD涂層鉆頭的Fd大于無涂層刀具，其原因在于雖然CVD涂層鉆頭改善了刀具的摩擦學(xué)特性，使得切削刃比較耐磨，但對于相同規(guī)格的鉆頭，涂層后會使得刀具刃口鈍化，使得切削刃變得不鋒利，故在相同F(xiàn)a作用的情況下比無涂層鉆頭更容易分層，致使所獲Fd較大。

綜合來看，在相同鉆削軸向力作用下，從出口分層系數(shù)的角度來分析，4把鉆頭的制孔性能優(yōu)劣排序如下：無涂層匕首鉆ffgt;CVD涂層匕首鉆ffgt;無涂層麻花鉆ffgt;CVD涂層麻花鉆。

3 結(jié)論

本文通過鉆削試驗研究了不同鉆頭在鉆削高強度型T800/X850 CFRP時，制孔分層缺陷的形成機理，探討了鉆削參數(shù)對鉆削分層損傷的影響規(guī)律。試驗鉆頭在鉆削T800/X850 CFRP時，隨著進給率的增大，制孔出口分層系數(shù)均呈急劇增大趨勢；相反，主軸轉(zhuǎn)速的增大則有利于分層系數(shù)的減小。從降低分層損傷的角度考慮，在鉆削高強型T800/X850 CFRP時應(yīng)該選擇高轉(zhuǎn)速、低進給的鉆削參數(shù)來進行切削加工。在相同的軸向力作用下，無涂層匕首鉆能夠獲得更小的分層系數(shù)，表現(xiàn)出更優(yōu)異的切削性能。

［1］郝元凱,肖加余.高性能復(fù)合材料學(xué)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］孟憲超.碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工工藝研究[D].大連理工大學(xué),2005.

［3］花岐伸作,野村昌孝.FEM方法對CFRP的切削機構(gòu)的解析[C]//日本機械學(xué)會論文集（C編）,1995,61卷583號（3）：1163-1168.

［4］張厚江.碳纖維復(fù)合材料(CFRP)鉆削加工技術(shù)的研究[D].北京航空航天大學(xué),1998.