碳纖維復(fù)合材料不同制孔工藝技術(shù)分析

李西

摘要：碳纖維復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是，強(qiáng)度高；二是，抗化學(xué)腐蝕性能優(yōu)秀；三是，比模量高?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，促使其被廣泛應(yīng)用于高精尖領(lǐng)域，但碳纖維復(fù)合材料經(jīng)常會(huì)在制孔時(shí)發(fā)生問(wèn)題，使制孔質(zhì)量下降，不利于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)碳纖維復(fù)合材料不同制孔工藝技術(shù)進(jìn)行分析，希望對(duì)提高制孔質(zhì)量有所幫助。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；制孔工藝技術(shù)；預(yù)制孔

引言：

碳纖維材料作為一種現(xiàn)代復(fù)合型材料，由于其材質(zhì)較輕，且具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，因而被廣泛應(yīng)用于航空航天事業(yè)之中。飛機(jī)在制造過(guò)程中，鉆孔是一道非常重要的工序，但受到碳纖維材料向異性和異質(zhì)性的影響，在進(jìn)行鉆孔時(shí)，非常容易出現(xiàn)缺陷問(wèn)題。因此，對(duì)碳纖維復(fù)合材料不同制孔工藝技術(shù)進(jìn)行分析，具有十分重要的意義。

一、碳纖維復(fù)合材料制孔缺陷

起毛和撕裂是碳纖維復(fù)合材料在制孔加工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷[1]。其中撕裂缺陷的尺寸相對(duì)較大，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的影響也非常大，因此，本段內(nèi)容將撕裂作為主要的研究對(duì)象。撕裂與起毛的產(chǎn)生位置大致相同，孔出口側(cè)的表面一層經(jīng)常出現(xiàn)撕裂和起毛缺陷，并且撕裂會(huì)順著孔的出口處向外延伸。

碳纖維復(fù)合材料的形成可以劃分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是橫刃作用階段；第二個(gè)階段為主切削刃作用階段。由于橫刃集中了半數(shù)以上的軸向力，因而橫刃作用是導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料缺陷的主要原因。據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，在橫刃鉆出的短時(shí)間內(nèi)，就會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料出現(xiàn)較大的撕裂長(zhǎng)度，并且軸向力不僅會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)撕裂缺陷，起毛缺陷也會(huì)隨之產(chǎn)生。但卻僅局限于表層纖維被逆向切削的部位，而橫向切削部分，則很少發(fā)生起毛和撕裂缺陷。

二、碳纖維復(fù)合材料不同制孔工藝技術(shù)分析

（一）軸向力制孔工藝技術(shù)分析

碳纖維復(fù)合材料主要有兩種分層形式：一是入口處的剝離分層，其產(chǎn)生的原因是鉆削時(shí)刀具螺旋槽斜面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力，這個(gè)力就是所謂的軸向力，由于受到軸向力的影響，致使碳纖維復(fù)合材料分層；二是出口分層，這個(gè)分層是復(fù)合型材料最明顯的分層，其產(chǎn)生原因?yàn)椋阢@削復(fù)合材料時(shí)，刀具會(huì)逐漸向出口平面靠攏，在靠攏的同時(shí)，切削層的厚度會(huì)逐漸減少，其所承受的軸向力也隨之降低，一旦軸向推力大于臨界軸向力，復(fù)合材料即會(huì)出現(xiàn)分層。

（二）麻花鉆軸向力制孔工藝技術(shù)分析

麻花鉆軸向力制孔工藝模型如圖1所示：

麻花鉆制孔工藝技術(shù)屬于傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料制孔工藝技術(shù)，由圖1可知，在使用該技術(shù)進(jìn)行制孔時(shí)，我們可以看出碳纖維復(fù)合材料層壓板會(huì)體現(xiàn)多種性能，例如：彈性、向同性等，結(jié)合相關(guān)力學(xué)理論，我們可以得到下述公式：

Fb.dc=du+2∏aGicDA；

在上述公式中Fb代表的是鉆削推力；dc代表的是刀具位移；du代表的是應(yīng)變能；a代表分層半徑；Cic代表的是臨界裂紋能量；DA代表的是裂紋變化量，并且這個(gè)變量呈增加狀態(tài)。繼而得到有關(guān)應(yīng)變能的公式為：U=8∏MX2/a2。其中M代表的是復(fù)合材料的剛度。

（三）階梯鉆軸向力制孔工藝技術(shù)

階梯鉆軸向力制孔工藝技術(shù)屬于一種新型的制孔工藝，其軸向力模型如圖2所示。

在圖3中，F(xiàn)代表的是軸向推力；Q是周向載荷；而b為鉆頭的半徑。鉆頭在進(jìn)行二次制孔時(shí)，則可以采用公式FT=2∏/1-U2，對(duì)裂紋拓展推力進(jìn)行計(jì)算。

三、優(yōu)化碳纖維復(fù)合材料制孔工藝技術(shù)的建議

通過(guò)對(duì)上述幾種制孔工藝技術(shù)進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用上述工藝進(jìn)行制孔時(shí)，很難確保制孔的質(zhì)量，究其原因，主要是制孔刀具對(duì)于制孔質(zhì)量具有決定性的影響[2]。因此對(duì)制孔刀具和刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改正十分關(guān)鍵。而制孔工藝參數(shù)的確定，則為制孔刀具及其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和改正創(chuàng)造了有利條件。結(jié)合刀具影響的變化趨勢(shì)，制定實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)上述幾種制孔方法進(jìn)行驗(yàn)證，可以為制孔刀具結(jié)構(gòu)和制孔工藝參數(shù)的調(diào)整，奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（一）優(yōu)化鉆頭的橫刃結(jié)構(gòu)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)未經(jīng)優(yōu)化的探頭與優(yōu)化過(guò)后的探頭進(jìn)行比對(duì)，對(duì)其性能差異進(jìn)行分析。

扭矩和軸向切削力是實(shí)驗(yàn)主要檢測(cè)的內(nèi)容，通過(guò)分析制孔后兩個(gè)探頭磨損情況和制孔質(zhì)量，我們可以得到以下結(jié)論：經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的制孔探頭，其軸向切削力顯著提升，并且扭矩也相應(yīng)的減少。優(yōu)化后的鉆頭具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：一是鉆頭頂部相對(duì)較尖，具有良好的定心效果，采用手持方式即可完成制孔；二是橫刃部分前角較正，且鋒利程度高，有利于降低扭矩；三是添加容屑槽，會(huì)增強(qiáng)排屑的效果；四是利用圓弧的方式，將主切削刃和橫刃進(jìn)行連接，有利于防止應(yīng)力過(guò)于集中，該位置的破損情況也得到改善。

（二）對(duì)鉆頭螺旋角進(jìn)行優(yōu)化

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們可以得到不同的鉆頭參數(shù)，例如：鉆頭頂角參數(shù)、鉆頭螺旋角參數(shù)、鉆頭螺旋后角參數(shù)等，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行明確，從而掌握鉆頭幾何參數(shù)對(duì)制孔質(zhì)量和刀具使用壽命的影響。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以得到以下結(jié)論：一是隨著主切削刃位置的變化，鉆頭螺旋角的位置也會(huì)發(fā)生改變，離鉆頭中心距離越近，螺旋角度會(huì)隨之變小。究其原因，主要是螺旋角其實(shí)就是主切削刃的前角，因而，螺旋角與鉆頭鋒利程度呈正相關(guān)的關(guān)系，但是螺旋角卻不宜過(guò)度加大，如果螺旋角增加量超出限度，則會(huì)對(duì)鉆頭強(qiáng)度造成影響。想要確保螺旋角增加值不超過(guò)限度，采用計(jì)算軟件，對(duì)螺旋角增加情況進(jìn)行模擬，可以準(zhǔn)確測(cè)算出螺旋角角度變化對(duì)切削力的影響規(guī)律。據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果鉆頭直徑不超過(guò)6毫米，選擇角度為25°的鉆頭即可保證制孔的質(zhì)量。

（三）優(yōu)化鉆頭頂角

鉆頭頂角對(duì)于制孔質(zhì)量的影響十分嚴(yán)重，結(jié)合實(shí)際情況，可以采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬試驗(yàn)，繼而得到頂角與切削力之間的關(guān)系，再通過(guò)切削試驗(yàn)，對(duì)二者關(guān)系進(jìn)行明確。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鉆頭頂角發(fā)生變化的同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料向力也會(huì)隨之發(fā)生變化，并且二者存在正向關(guān)聯(lián)，簡(jiǎn)言之，就是鉆頭頂角加大，向力會(huì)同時(shí)增加。究其原因，主要是鉆頭頂角加大，會(huì)減少主切削刃的長(zhǎng)度，削刃負(fù)載會(huì)同時(shí)縮小，軸向力下降明顯。

結(jié)論：

碳纖維復(fù)合材料由于具有強(qiáng)度高和適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。但是在加工制孔過(guò)程中，卻容易受到多種因素的影響，使材料出現(xiàn)一些缺陷，不利于使用。因此，對(duì)碳纖維材料制孔工藝技術(shù)進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化工藝技術(shù)的建議，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]龍文彪.碳纖維復(fù)合材料制孔問(wèn)題研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018，15（27）：125-126.

[2]王共冬，彭天，李映池，等.碳纖維復(fù)合材料不同制孔工藝技術(shù)研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2017（06）：46-50.

（作者單位：中航飛機(jī)股份有限公司）