碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉆削工藝(共3頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉆削工藝前言:碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）是以碳或石墨纖維為增強(qiáng)體的樹脂基復(fù)合材料。因其具有比強(qiáng)度、比剛度高，耐疲勞性能好及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，已發(fā)展成為繼鋁、鋼、鈦之后的第四大航空航天結(jié)構(gòu)材料之一。鉆削軸向力是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔產(chǎn)生缺陷的主要原因。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由質(zhì)軟而粘性大的基體材料和強(qiáng)度高、硬度大的碳纖維增強(qiáng)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(qiáng)度低，切削時(shí)在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、劈裂等缺陷。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削加工中主要存在以下問題：（1）材料硬度大，其硬度HRC值可達(dá)536

2、5，相當(dāng)于一般高速鋼的硬度，因而鉆孔時(shí)鉆頭磨損很快；（2）層間強(qiáng)度低，在鉆孔過程中，易產(chǎn)生分層等缺陷；（3）屬于各向異性材料，鉆孔處的應(yīng)力集中較大，極易引起劈裂等缺陷；（4）熱導(dǎo)率小，線脹系數(shù)和彈性恢復(fù)大，鉆孔時(shí)，存在縮孔現(xiàn)象；（5）切屑為粉塵狀，對人體健康危害大。分層是碳纖維復(fù)合材料鉆孔的主要缺陷。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(qū)域的直徑，D 表示孔的實(shí)際直徑。分層因子Fd 與平均軸向力Fz間存在著線性或分段線性關(guān)系：平均軸向力Fz 越大，分層因子Fd 越大，分層越嚴(yán)重。我國目前還沒有鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)

3、合材料的專用刀具。復(fù)合材料應(yīng)用部門目前主要采用YG 類硬質(zhì)合金麻花鉆，如YG6X、YG8 和Y330。這種刀具制造簡單，成本低，易于刃磨，對機(jī)床設(shè)備要求低。但使用壽命低，一般鉆削3040 個(gè)孔后，就需要進(jìn)行刃磨。為了提高刀具的使用壽命，一些刀具廠商對刀具進(jìn)行表面涂層處理，如氮鋁化鈦涂層和金剛石涂層。鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，一般采用高轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給量。由于切削液對復(fù)合材料的性能有不良的影響，所以在鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，一般采用干切削的方法。為防止出口劈裂，在鉆頭出口側(cè)墊聚氯乙烯硬塑料板。結(jié)果及分析:刀具材質(zhì)的影響:平均軸向力都隨著進(jìn)給量的增大呈現(xiàn)的增大趨勢。隨著鉆孔數(shù)的增加，鉆頭磨損量增大，從

4、而導(dǎo)致軸向力增大。 涂層之后，刀具切削刃變鈍，開始切削時(shí)，有涂層的刀具比沒有涂層的刀具軸向力大; 鉆過一定孔數(shù)量孔之后，有涂層的刀具比沒有涂層的刀具軸向力小，說明涂層材質(zhì)很好的提高了刀具的耐磨性。刀具直徑的影響:鉆削軸向力隨著刀具的直徑增大而增大。這是因?yàn)殡S著刀具直徑的增大，鉆頭切削刃切削面積增大，從而導(dǎo)致切削力增大。通過試驗(yàn)得出：硬質(zhì)合金麻花鉆一般適合鉆削直徑3.08.0mm 的孔；鉆削大于8.0mm 孔時(shí)，容易產(chǎn)生分層、剝層和劈裂等缺陷。對于大直徑孔（直徑大于8.0mm）的加工，可以采用燒結(jié)金剛石套料鉆和電鍍金剛石套料鉆，這種加工改變了加工方式，將鉆削加工變成了磨削加工，但排屑比較困難，且

5、所制的孔質(zhì)量也不高。大直徑孔切削力的增大是由于切削面積增大而引起的，減小切削面積，軸向力也會(huì)相應(yīng)的減小。因此，試驗(yàn)中采用鉆孔-擴(kuò)孔加工方式，先用硬質(zhì)合金麻花鉆鉆初孔，然后采用擴(kuò)孔鉆進(jìn)行擴(kuò)孔，一次擴(kuò)孔量可以取26mm。鉆型的影響:鉆頭在鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，鉆頭橫刃處的切削情況極為惡劣，實(shí)際上不產(chǎn)生切削作用，只是滾卷和粉碎纖維，是軸向力的主要來源。四直槽鉆鉸復(fù)合鉆鉆尖處沒有了阻礙切削的橫刃，有利于減小切削力，同時(shí)還能鉸孔，不僅精度高而且效率也高。Y330（涂層）麻花鉆所鉆孔的孔壁存在許多凹痕，這是由于纖維切削斷口不平整引起的。四直槽鉆鉸復(fù)合鉆所鉆孔的孔壁比較均勻光滑，孔壁質(zhì)量明顯高于Y330

6、（涂層）麻花鉆，且6.7mm 四直槽鉆鉸復(fù)合鉆的鉆削軸向力小于6.0mmY330（涂層）麻花鉆。因此，四直槽鉆鉸復(fù)合鉆比麻花鉆更適合碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的鉆削加工。鉆削參數(shù)的影響:平均軸向力隨著進(jìn)給量的增大都呈現(xiàn)增大趨勢，為了提高鉆孔質(zhì)量，進(jìn)給量可取0.010.04mm 范圍內(nèi)。軸向力隨著轉(zhuǎn)速的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢，曲線的曲率隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸減小。由于切削熱的存在，轉(zhuǎn)速越高，鉆削溫度越高，且高速對鉆床剛度要求也高。因此，轉(zhuǎn)速不宜太高，建議轉(zhuǎn)速取在30006000 r/min范圍內(nèi)，對于剛度好的機(jī)床，可以適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速；對于剛度差的機(jī)床，可以適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。夾層結(jié)構(gòu)鉆孔:碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鈦合金都

7、是的典型難加工材料，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削要求高轉(zhuǎn)速和小進(jìn)給量，鉆削過程中一般采用干切削。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，彈性恢復(fù)大，冷硬、粘結(jié)、擴(kuò)散現(xiàn)象嚴(yán)重，易于氧化，鉆削中有回彈，尺寸不穩(wěn)定。一般采用低轉(zhuǎn)速和適量進(jìn)給量，且鉆削中加切削液。采用Y330（涂層）麻花鉆，以鉆鈦合金的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和鈦合金夾層結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鉆頭從鈦合金側(cè)鉆入孔徑尺寸精度高于從復(fù)材側(cè)鉆入，因此，應(yīng)優(yōu)先從鈦合金一側(cè)鉆孔。鉆削時(shí)，復(fù)材易產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象，通過加鯨蠟醇鉆孔潤滑劑，可以緩解復(fù)材的燒傷現(xiàn)象。鈦合金孔徑存在擴(kuò)張量，擴(kuò)張量一般在0.02mm 左右，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的孔徑收縮量一般在0.01mm 左右。要獲得

8、高精度的孔，需要對夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉸孔。經(jīng)鉸孔后，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料孔徑與鈦合金孔徑的極差可以達(dá)到0.01mm 以下。夾層結(jié)構(gòu)的鉆孔，應(yīng)采用專用加工刀具。參考文獻(xiàn):1陳少杰. 復(fù)合材料技術(shù)與大型飛機(jī). 航空學(xué)報(bào)，2008，3（29）： 605-610.2官煥華. 復(fù)合材料的加工工藝與連接技術(shù). 宇航材料工藝，1998，（4）： 28-31.3F-22 戰(zhàn)斗機(jī)專輯. 航空周刊，1997，43.4Hoeheng H, Tsao C C. Effects of special drill bits on drilling-induced delaminationof composite materials. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46（12-3）:1403-1416.5Sala G . Composite degr