簡析樹脂基碳纖維復合材料制孔缺陷以及鉆削工藝

＊霍秀兵 徐強 王海波 姚雙

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司 北京 100089）

樹脂基碳纖維復合材料經(jīng)過長時間的行業(yè)研究及應用，其優(yōu)良的抗疲勞性、耐腐蝕性、電磁波的穿透能力三項性能的優(yōu)勢十分突出，已經(jīng)被廣泛應用于高端汽車行業(yè)及航空航天等領域。

1.樹脂基碳纖維復合材料簡介

將使用玻璃纖維等不同類材質(zhì)作為樹脂基碳纖維復合材料的纖維增強體，以此增加機體本身的纖維強度，使得其性能優(yōu)勢得到更顯著的應用。樹脂基碳纖維復合材料最為顯著的性能優(yōu)勢在于其良好的抗疲勞性能，相較于其他復合材料，樹脂類符合材料具備更加顯著的抗拉伸強度，其疲勞極限甚至為其他材料的N多倍。同時樹脂基碳纖維復合材料具備優(yōu)良的過載安全性和減震性能，同時其成型工藝相對簡單，因此被廣泛應用于航空航天、汽車等相關科技領域。

1970年美國相關技術人員研究玻璃纖維材料的相關應用性能，開發(fā)出新的以樹脂為基礎的復合材料，這種材料相較于玻璃纖維為基礎的復合材料而言就有更好的性能優(yōu)勢，能夠極大提升其在各領域的應用。將樹脂基碳纖維復合材料首次應用于商務飛機，將八座飛機中涉及的零件全部用樹脂基碳纖維復合材料零部件進行替換，極大減輕了飛機的自重，將重量縮減至僅有567kg。后續(xù)將此復合材料應用于航天飛機主要零部件構成，通過不斷的性能研究，逐步應用于大型商務客機。以此為基礎樹脂基碳纖維復合材料成果顯著，因此被不斷嘗試在各個領域應用。但面對要求不斷提升的制造業(yè)，樹脂基碳纖維復合材料也無法避免其工藝缺陷。

2.制孔以及鉆削工藝簡介及復合材質(zhì)性能分析

制孔是將樹脂基碳纖維復合材料進行零件的制造和轉(zhuǎn)配中的重要加工環(huán)節(jié)，當前制孔工藝主要分為特種技工技術及切削加工技術兩種。超聲打孔、激光打孔、電火花加工技術共同組成特種加工。在此過程中多數(shù)使用非機械能從而最大程度減少和避免加工材料剩余的數(shù)量，此加工方式在鉆孔過程中對復合材料造成的力學沖擊較小，幾乎不會造成機械性變形情況，因此多用于小孔和異形孔、微小孔的加工。

航空航天領域相關的飛行器等零部件尺寸均為超常規(guī)尺寸，零件的尺寸更大因此特種加工設備無法滿足飛行器裝備零件的鉆孔需求，無法達到其連接裝備的要求，因此在此領域的零部件多采用鉆孔技術對圓孔進行加工處理。飛行器等相關零件多采用圓孔連接，因此多采用鉆削加工方式，相較于常規(guī)的金屬制孔方法而言，其面臨過多的風險及問題。

制孔過程中鉆孔位置的精確度、合格率、鉆孔處存在劈裂或纖維撕裂等問題，均為樹脂基碳纖維復合材料特有的鉆孔缺陷，導致復合材料組裝和鏈接過程中裝備報廢。因此大多數(shù)情況下均采用手工制孔，但手工作業(yè)勢必影響其量產(chǎn)的數(shù)量和進度，同時鉆孔過程中由于材質(zhì)本身的特性，起分層和斷裂的情況仍無法避免，同時在即將完成時也會出現(xiàn)垂直角度不合規(guī)的情況。

(1)力學性能

樹脂基碳纖維復合材料具有較強的力學性能，相較于一般符合材料其最顯著的是抗疲勞性能，因此其在應用過程中比模量更大，對材料的強度要求更高。具體表現(xiàn)在其良好的強度和剛度兩方面。

復合材料的強度主要有其在玻璃纖維為基礎的組成材料的強度，混合材料的強度性質(zhì)和符合所占的百分比決定了材料的最終強度。相較于傳統(tǒng)意義的復合材料樹脂基的組成成分存在微小的差異，因此其強度性質(zhì)也在原有基礎上有所提升，形成了更有優(yōu)勢的強度特性，這是復合材料的力學性能進步，但在強度提升的過程中，新的缺陷也相應形成。由于復合材料的強度在不同的應用環(huán)境下遭到破壞的幾率也將相應的提升，主要原因在于復合材料形成過程中兩種或者多種材質(zhì)的分布有出現(xiàn)不規(guī)則分布的可能，因此導致復合材質(zhì)的強度整體分布不均，這將造成承力構成中斷裂的風險，同時斷裂的方式是不可預期和不可控制的。此外纖維復合材料受到彈性、界面粘結(jié)、纖維搭接能技術參數(shù)均將對材質(zhì)的強度造成影響。

復合材料良好的強度性能將對鉆孔刀具造成嚴重的磨損，直接影響制孔精度造成零部件的不合格率直線上升。樹脂基碳纖維復合材料本身的力學性能在零部件加工過程中使其難度不斷提升，如果碳纖維和樹脂基體的結(jié)合力相對較差，影響其在制件過程中承受的非纖維軸向負荷及沖擊的能力，導致較低的壓縮強度。如果鉆頭軸向給予較大的力度沖擊，就會造成零部件出現(xiàn)孔口劈裂，材質(zhì)中間分層，疊合處起毛或者斷裂等問題。

傳統(tǒng)的鉆孔技術無法避免力學風險，因此鉆削過程中材質(zhì)裂紋及鉆口出口處及周邊的材質(zhì)分層情況幾率極高。不斷對質(zhì)控及鉆削工藝的相關參數(shù)進行不間斷的改善和調(diào)整，是逐步解決樹脂基碳纖維復合材料的主要研究方向，從而提升制件整體的制作水平。

(2)剛度性能

樹脂基碳纖維復合材料相較普通復合材料而言具備更好的剛度性能，組成材料剛度的性質(zhì)和復合材料的百分比決定最終的剛度特性。樹脂為基礎的復合材料本身具備較好的彈性特性使其擁有較好的混合效應。其剛度特性較為平均，在整體剛度和強度方面呈現(xiàn)更佳狀態(tài)，具有明顯的競爭優(yōu)勢，從而達到廣泛的應用領域。

較好的剛度性能直接影響材質(zhì)的硬度，常溫狀態(tài)下高速鋼鉆頭與復合材質(zhì)的硬度十分接近，通常利用高速工具鋼或者碳素工具鋼對材料進行加工，而此條件下對于刀具磨損的情況較為嚴重，為了避免不合格率的提升操作過程中需要不斷的對磨損刀具和鉆孔進行替換和安裝，而頻繁的替換干擾常規(guī)的機械加工做作業(yè)，同時增加了鉆削成本。因此實際鉆孔過程中必須嚴格參考復合材料的韌性、硬度等參數(shù)，同時關注進刀量和潤滑液的數(shù)據(jù)，控制鉆削速度，避免樹脂基碳纖維復合材料操作過程中出現(xiàn)纖維崩斷的情況。

(3)化學性能

樹脂基碳纖維復合材料的化學性能取決于基底材料的化學組成，每一種復合材料原有的化學性能均會影響最終復合材料化學屬性，其或多或少的化學性能差異，均會對最終材料造成影響。復合材料本身就是有兩種或多種有機物質(zhì)組成，因此其本身容易受到一些含有化學成分的溶劑或物質(zhì)相關反應產(chǎn)生化學變化，有可能最終導致有機溶劑的溶脹、侵蝕、溶解甚至被腐蝕的情況發(fā)生。由于組成基底的材質(zhì)有所不同，樹脂基碳纖維復合材料針對化學物質(zhì)的反應變化也將出現(xiàn)差異。通常狀態(tài)下樹脂基碳纖維復合材料均具備耐鹽、耐強酸、耐酯等特性，通常情況下不具備耐堿的特性，這是由于復合材料均為機器建設，受到人們對水的普遍重視，當其遇到水的時候，自身的介電強度將會不同程度的下降，因此水對于復合材料的化學性能造成影響，同時影響復合材料的力學性能。

樹脂基碳纖維復合材料在水的作用下，其自身的力學性能和化學性能將會彼此相互影響，而樹脂材質(zhì)本身具備的化學聚合物將會受到高溫影響產(chǎn)生耐熱焦炭反應。當復合材料本身物質(zhì)得到揮發(fā)后，其剩余的分解物質(zhì)繼續(xù)和復合材料發(fā)生反應，從而進一步提升材質(zhì)本身的耐熱程度，產(chǎn)生新的復合材質(zhì)力學性能，例如抗震性能的生成。

3.制孔和鉆削工藝的改善方案

(1)參數(shù)調(diào)整

對于樹脂基碳纖維復合材料制孔和鉆削過程中，使用的鉆頭軸向進給力是直接導致零部件出現(xiàn)缺陷的重要原因之一，因此在加工進行中必須時刻關注鉆頭的集合參數(shù)和鉆削的工藝參數(shù)，同時做出相應的調(diào)整，保持和控制鉆頭軸向進給力始終保持在合理范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)鉆頭軸向進給力過大的情況，從而確保零部件的合格率。通過長時間的實踐驗證，加工過程對于制孔和鉆削參數(shù)調(diào)整能夠有效提升連接孔的質(zhì)量。針對不同的復合材料和鉆孔要求，時刻關注鉆頭的角度，鉆芯的厚度參數(shù)，螺旋角的角度調(diào)整，在操作過程中后角對于鉆削性能的影響顯而易見，時刻保持角度的正確性，從而將鉆頭形狀進行改善，能夠有效避免雙刃的鉆透效果，從而提高制件的質(zhì)量。

(2)工藝改善

樹脂基碳纖維復合材料按照實際圖紙和加工組建的實際需求選擇恰當、合適的制孔工藝，從而確保制孔和鉆孔質(zhì)量，杜絕缺陷發(fā)生的有效途徑。針對復合材質(zhì)的鉆孔和鉆削操作中，保持整體的麻花鉆鉆孔達到最佳的效果，需要保持良好的制孔率，需要關注樹脂基碳纖維復合材料表面加工的細節(jié)處理。實際操作中可以增加出口接觸面的墊板，夾層膠木板等是不錯的選擇。同時控制鉆頭鉆透過程中的鉆速，始終保持低進給量的操作步驟，某種程度上能夠降低和避免樹脂基碳纖維復合材料出現(xiàn)分層和劈裂等現(xiàn)象。制作8毫米以上的孔徑鉆孔時，可選用鏜進行操作，或者先選用硬度較大的合金鉆頭進行小孔操作，后續(xù)選用電鍍金剛石套料鉆在原有鉆孔的基礎上進行擴充，這種鉆孔工藝能夠有效避免操作過程中切削力過大對于接觸面造成的影響，避免材質(zhì)受力斷裂，從而提升鉆孔和鉆削的合格率。

實際操作過程中鉸孔工藝均會預留鉸孔余量，在后續(xù)鉆孔中借助低轉(zhuǎn)速的硬質(zhì)合金短鉸刀進行鉸孔，在锪窩是將鉆口的出口免設置在锪窩面，確保硬質(zhì)合金锪窩鉆能夠保持低速運轉(zhuǎn)。也可以選擇金剛石材質(zhì)的锪窩鉆進行高速鉆孔，兩種操作均能夠達到良好的鉆孔效果。值得注意的是锪窩鉆需要在旋轉(zhuǎn)后才能接觸復合材質(zhì)零部件進行加工制作，從而避免表面纖維的用力不均，導致纖維劈裂情況的發(fā)生。

(3)刀具的改進

常規(guī)鉆孔工藝使用的刀具如果出現(xiàn)嚴重磨損，或者起毛的情況時，針對這種必然會進行鉆頭的更換，從而確保零部件的準確性能。針對樹脂基碳纖維復合材料的性能和實際加工過程，對使用的制孔和鉆削刀具有針對性的改善和調(diào)整，選用具備更高強度性能的刀具，保證零部件加工質(zhì)量的前提條件下，最大程度的避免刀具的磨損，從而從根本避免頻繁更換刀具的操作，提升加工效率和質(zhì)量。目前根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的制孔和鉆削技術經(jīng)驗的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)通常情況下鎢鈷材質(zhì)硬質(zhì)合金能夠達到較強的硬度要求，合金中加入其它材質(zhì)提升其彎曲強度和韌性，從而達到更好的刀具效果。在實際刀具操作過程中有效的降低鉆削的崩刃的現(xiàn)象。除此之外還可以選用人造金剛石刀具，其良好的硬度同樣能夠確保較好的零部件合格率。針對不能零部件的尺寸，加工難度等要求，選用對應的刀具進行加工，能夠有效的控制其制件質(zhì)量。

4.結(jié)語

樹脂基碳纖維復合材料更能夠適應飛機、航空航天、建設、汽車制造業(yè)等對于新興材質(zhì)的性能要求，達到更為輕質(zhì)的結(jié)構屬性，因此現(xiàn)階段對于復合材質(zhì)的需求逐步提升，逐步取代常規(guī)的鋁合金材質(zhì)，這給樹脂基碳纖維復合材料的快速發(fā)展提供了更佳的契機。而機械鉆削是零部件加工的最后工序，提升其質(zhì)控和鉆削的效率和成功率，能夠加速經(jīng)濟體制的快速發(fā)展。

現(xiàn)價段樹脂基碳纖維復合材料的制孔及鉆削工藝尚未成熟，其操作和加工過程中的缺席仍然無法避免，因此改善制孔工迫在眉睫。隨著技術科研水平的不斷提升，樹脂基碳纖維復合材料有原有的幾種發(fā)展到目前的幾十種，更加需要加工工藝的優(yōu)化和改善，從而發(fā)揮符合材料的高性能。使其擁有更加廣闊的應用空間和價值。