碳纖維增強複合材料結構鑽削工藝

碳纖維增強複合材料結構鑽削工藝

碳纖維增強複合材料在應用過程壓克力中往往要與其他結構進行連接，金相顯微鏡連接是複合材料結構的薄弱環節。據統計，航空航天飛行器中60%~80%的破壞都發生在連接部位。

複合材料結構制孔缺陷

碳纖維增強複合材料是由質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構，其力學性能呈各向異性，層間強度低，切削時在切削力的作用下容易産生分層、劈裂等缺陷。碳纖維增強複合材料鑽削加工中主要存在以下問玻璃纖維題：

（1）材料硬度大，其硬度HRC值可達53~65，相當于一般高速鋼的硬度，因而鑽孔時鑽頭磨損很快；

（2）層間強度低，在鑽孔過程中，易産生分層等缺陷；

（3）屬于各向異性材料，鑽孔處的應力集中較大，極易引起劈裂等缺陷；

（4）熱導率小，線脹系數和彈性恢複大，鑽孔時，存在縮孔現象；

（5）切屑爲粉塵狀，對人體健康危害大。

連接中最常采用的機械連接需要先制孔。例如，一架波音747飛機有300多萬個連接孔，而美國最先進的F-22戰鬥機每副機翼要14000個精孔。複合材料是典型的難加工材料，其制孔工藝複雜，對刀具和工藝參數的要求更高。因此，複合材料制孔工藝已成爲複合材料應用的關鍵工藝之一。

分層是碳纖維複合材料鑽孔的主要缺陷。分層缺陷的大小可以用分層因子（Fd）來表示。分層因子可以用以下公式表示:

Fd =Dmax/D ，

其中，Dmax表示最大損傷區域的直徑，D 表示孔的實際直徑，如圖2所示。

Hoeheng H等 通過試驗分析得出：分層因子Fd 與平均軸向力Fz間存在著線性或分段線性關系：平均軸向力Fz越大，分層因子Fd越大，分層越嚴重。因此，可以通過平均軸向力的大小以及制孔質量，來評判不同鑽削工藝的優劣。

複合材料鑽削刀具

國外一些著名刀具生産廠商已經開發研制出適合碳纖維增強複合材料鑽削加工的專用刀具。如瑞典的山特維克可樂滿已經研制出適合高纖維CFRP鑽孔的專用刀具CoroDrill 854和適合高樹脂CFRP鑽孔的專用刀具CoroDrill 856，這2種刀具可加工最大直徑12。70mm的孔，壽命可以達到鑽650個孔。