碳纤维复合材料钻孔加工工艺研究.pdf

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1、大连理工大学硕士学位论文碳纤维复合材料钻孔加工工艺研究姓名：孟宪超申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：郭东明20051201大连理工大学硕士研究生学位论文摘要碳纤维复含材料(c F R P)作为一种先进的复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车等领域已有广泛的应用。例如火箭发动枫尾喷管、喉衬，航天飞机的机翼前缘、刹车盘等均可采用碳纤维复合材料。本文以碳纤维复合材料的二元切削为对象，在分析了碳纤维复合材料在切削过程中的切削变形、切屑形成等问题基础上。针对其中一种切削变形方式，对二元切削的切削力进行了理论

2、推导。并对钻削过程中产生的轴向力进行了理论推导，给出了各个钻削参数与轴向力之间的关系。搭建了复合材料高速钻削试验系统。该试验系统可完成不同切削速度及不同进给量下钻削碳纤维复合材料的钻削力测定、钻头磨损及耐用度测定、钻型比较等试验，也可用于其他种类复合材料的高速钻削试验研究。在高速钻削试验装置上进行高速钻削试验，比较了实际现场钻削和高速钻削碳纤维复合材料的钻削力和加工质量。自行设计和制作了电镀金刚石钻头，与普通的硬质合金钻头做了钻削力对比试验，得出了许多有用的结论。分析了电镀金刚石工具切削纤维复合材料的特点，利用电镀金刚石钻头对碳纤维复合材料高速钻削时的钻削力进行了试验研究，探讨了切削参数变化对

3、钻削力的影响，建立了主轴转速、进给速度、钻头直径影响的钻削力经验公式。利用电子显微镜对碳纤维复合材料钻孔后的孔壁表面微观形态、孔的出入口的加工缺陷进行观察分析，研究了碳纤维复合材料的微观破坏机理，并根据试验结果讨论了钻削参数变化对加工缺陷的影响，提出的解决的办法。并对刀具磨损进行了观察分析，得到了许多有益的结论。关键词：碳纤维复合材料；钻削；钻削力；孔加工缺陷孟宪超：碳纤维复合材料钻孔加工工艺研究S t u d yo nt h eD r i l l i n gP r o c e s so fC a r b o nF i b e rC o m p o s i t eM a t e r i a l

4、A b s t r a c tC a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s(C F R P)a r ec h a r a c t e r i z e db yl o ww e i g h t，s u p e r i o rs t r e n g t h t o-w e i g h ta n ds t i f f n e s s t o-w e i g hr a t i o s，l o we x p a n s i o nc o e f f i c i e n t，h i g hf a t i g u es t r e n g t

5、h，g o o dt h e r m a ls h o c k，g o o dh e a tr e s i s t a n c ea n dg o o dv i b r a t i o na b s o r p t i o n T h e yh a v eb e e nu s e dw i d e l yi na i r p l a n e s,s p a c e s h i p sa n da u t o m o b i l ee t c,f o re x a m p l e，r o c k e tt a i lt u b e，t h r o a tb u s h，l e a d i n g

6、e d g eo ft h es h u t t l e，b r a k ea p p a r a t u s B a s e do nt h eb i n a r yc u t t i n gm o d e lo ft h eC F R P，t h i st h e s i sd i s c u s s e dt h ed e f o r m a t i o na n df o r m a t i o no ft h ec h i p s，d e d u c e dt h ee q u a t i o no ft h ec u t t i n gf o r c ei no n ec u t

7、t i n gf a s h i o na n di n d i c a t e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea x i a lf o r c ea n dt h ed r i l lp a r a m e t e r H i g h s p e e dd r i l l i n gs y s t e mw a ss e tu p T h i ss y s t e mC a l lb eu s e di nt h em e a s m e m e n to ft h ed r i l lf o r c e，d r i l lw

8、e a l ,e n d u r a n c em e a s u r e m e n ta n dc o m p a r i s o no ft h ed r i l ld u r i n gt h ep r o c e s so ft h eC F R Pc u r i n g、析t hd i f f e r e n tc u t t i n gs p e e do rd i f f e r e n tf e e d I tc a na l s ob eu s e di no t h e rc o m p o s i t ed r i l le x p e r i m e n t B a

9、s e do nt h ed r i l l i n ge x p e r i m e n tc a r r i e do u to nt h es y s t e m，t h ep a p e ro f f e r e dt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed r i l lf o r c ea n dt h em a c h i n i n gq u a l i t yi ng e n e r a ld r i l l i n ga n di nt h eh i g h s p e e dd r i l l i n g S o m ev a

10、l u a b l ec o n c l u s i o n sw e r er e a c h e dd e p e n d i n go nc o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed r i l lf o r c ee x p e r i m e n tw i t hs i n t e r e d c a r b i d ed r i l la n dw i t hd i a m o n dd r i l lw h i c hw a sd e s i g n e da n dm a d eb ys e l f T h ed r i l l i n gc h

11、 a r a c t e ro ft h eC F R Pw i t hd i a m o n dt o o l sw a sa n a l y z e di nt h ep a p e r O nt h eb a s i so ft h ed a t ai nC F R Pd r i l l i n g-f o r c ee x p e r i m e n ti nh i g h-s p e e d t h ew r i t e rd i s c u s s e dt h ee f f e c to ft h ec u t t i n gp a r a m e t e r so nt h e

12、f o r c ea n de s t a b l i s h e dt h ee m p i r i c a le q u a t i o n sc o n c e r n i n gd r i l l i n gf o r c ea n dt h ed r i l ls p e e d，f e e dr a t e，d i a m e t e ro fd r i l l，e t c B ya n a l y s i so ft h es u r f a c em i c r o s t r u c t u r ea n dm a c h i n i n gd e f e c t si nt

13、 h ee n t r a n c e e g r e s so ft h eh o l eb ye l e c t r o nm i c r o s c o p e，t h i st h e s i sd i s c u s s e dt h em e c f i a n i c so ff r a c t u r ei nm i c r o s c o p eo ft h eC F R P I ta l s od i s c u s s e dt h ee f f e c to ft h ed r i l l i n gp a r a m e t e ro nt h ed e f e c

14、t sa n d 百v e nt h e大连理工大学硕士研究生学位论文r e s o l u t i o n s M e a n w h i l e，w i t ho b s e r v a t i o no ft h ed r i l lw e a r m a n yv a l u a b l ec o n c l u s i o n sw e r er e a c h e d K e yW o r d s：C a r b o nF i b e rR e i n f o r c e dP l a s t i c s；D r i l l i n g；D r i l lF o r c e；M a

15、 c h i n i n gD e f e c t sO f T h eH o I e独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：丕趁垫一日期：生!一奎塑三奎堂堡塑窒竺些塑大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家

16、有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作一_ 整睦：导师签名：大连理工大学硕士研究生学位论文1 绪论1 1 碳纤维复合材料以及应用由两种或两种以上不同的物理、化学性能的物质人工制成的多相组成的固体材料，工程用复合材料一般由较强的、脆性的、高模量的材料和较弱、韧性的、低模量的材料组成。在复合材料中前者被称为增强体，后者被称为基体。按复合形式的不同，复合材料可分为纤维增强复合材料、层复合材料、颗粒复合材料等三类。其中以纤维增强复合材料发展最快

17、，应用最广。目前常见的纤维增强材料有碳纤维增强复合材料(c F R p)，玻璃纤维增强复合材料(G F R P)、硼纤维增强复合材料(B F R P)、碳碳复合材料和碳石英复合材料等。纤维是复合材料的增强体，是主要的承力结构，它的力学特性主要决定了复合材料的力学性能。先进复合材料所具有的优越性大多是高性能纤维本身已经具备的。复合材料的可设计性，主要是指纤维铺设方向和叠层次序有许多自由度。纤维要起良好的承力作用，需要按合理的比例均匀分散在基体内。长纤维复合材料的纤维体积含量(翰一般小于6 5，这时复合材料的主要力学性能随着K 的增加而提高。当呤7 0 时，纤维表面未能被基体包覆而形成缺陷，从而使

18、复合材料的强度、抗断裂和抗冲击性能降低，一般V，的值以6 0 6 5 为最佳I l。其中碳纤维增强复合材料(a 艰P)，是以碳或石墨纤维为增强材料、以树脂为基体的复合材料。基体材料的作用是将增强材料粘接在一起，并以剪应力形式将外载传递给增强材料。此外，基体还对增强材料起着保护作用，以免受环境的腐蚀。碳纤维复合材料的基体材料有热固性树脂和热塑性树脂两种，其中热固性树脂应用最多。例如环氧树脂、聚酰亚胺树脂等。碳纤维是很有潜力的增强材料，它既有高的比强度、比刚度，良好的导热性、导电性、热稳定性及乃腐蚀性等优点，然而，由于其纤维表面光滑且惰性大，与基体相溶性差，不能很好的粘合，界面中存在较多的缺陷，因

19、而层间剪切性能低。影响了碳纤维增强复合材料在某些方面的应用，所以需要对碳纤维表面进行处理，处理的主要方法有氧化法、涂层法、电解法和等离子处理法等，经处理的碳纤维表面与基体有较好的粘结性能，可充分发挥碳纤维在复合材料中的良好力学性能的优越性，处理后的碳纤维的各项物理性能都得到明显的提高。碳纤维是由有机物固相反应转化成的三维碳化合物。航空航天的构件主要采用聚丙烯腈基碳纤维。单根碳纤维直径一般只有7 8。在碳纤维复合材料的制造过程中碳纤维材料是成束使用的。碳纤维丝束的粗细一,um般以每束中的纤维根数来表示，每束中纤维根数少则2 6 0 根，多则3 2 0 0 0 0 根。航空上孟宪超：碳纤维复合材料

20、钻孔加工工艺研究根据其使用特点，一般采用1 0 0 0 根至1 2 0 0 0 根为一束的中小型丝束。碳纤维丝束的力学性能一般不受丝束大小影响。纤维复合材料用作结构材料，一般以单向预浸料设计要求，叠合制成多向层板使用。除了轴向0。方向纤维，还需要0 铺设纤维来承受和加强来自不同方向和不同种类的载荷，例如承受面内原来只有基体承受的横向拉伸和纵向剪切等。多向叠层板由于各层的线热膨胀系数不同，在固化或上、下温度不同时将引起弯曲变形，以及不同方向铺层因受力作用而变形方向不同，这些都会引起耦合效应(耦合应力和耦合刚度)，因此必须采用中面对称的铺层，以消除耦合效应【1 J。图1 1 多向复合材料的一种铺层

21、方式F i 9 1 1o n es p r e a d i n gm o d eo ft h em u l t i d i m c t i o n a lc o m p o s i t em a t e r i a l在加工时，纤维可以通过各种方法排布在适当的结构当中，包括人工和自动铺放。最常见的工艺方法是将已经浸过树脂的定向排列的纤维按各种角度手工铺放，图1 1 是一种面内其刚度为各项同性的铺放例子(即多向铺层)，单向铺层同时具有最高刚度(O。方向)和最低刚度(9 0。方向)，当增加其他角度的铺层时，其各项异性程度降低，最低刚度增加，同时最大刚度也降低。碳纤维复合材料(c H 冲)作为一种先

22、进的复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车、战略性武器(导弹等)等领域已有广泛的应用。例如火箭发动机尾喷管、喉衬，航天飞机的机翼前缘、刹车盘等均可采用碳纤维复合材料 3 1。碳纤维复合材料具有比强度高和比模量高、抗疲劳性能好、耐热性优良等优点。与飞机上常用的铝相比，碳纤维复合材料的强度为铝的3 倍，而重量仅为铝的6 0。世界上8 0 年代以后进入服役的战斗机，其机翼、尾翼部件大多采用碳纤维复合材料。在2 0 0 5大连理工大学硕士研究生学位论文年服役的美国空军最新F-2 2“猛禽”战斗机，复合材料占3 5，飞机蒙皮

23、壁板、机翼中间梁、机身隔框、舱门和其他部件等全部采用了碳纤维复合材料【7】，所以碳纤维复合材料广泛的应用与航空领域。图1 2 高超声速飞行器c c 复合材料结构零件F i g1 2h i g hs u p e r-s o n i ca e r o c r a f tp a r tm a d eo fC Cc o m p o s i t em a t e r i a l图1 3I C M B 的碳纤维复合材料导弹头锥F i g1 3m i s s i l ew a r h e a dm a d eo fI C M Bc a r b o nc o m p o s i t em a t e r i

24、a l碳纤维复合材料在航天领域也有广泛的应用。碳纤维复合材料是航天领域中应用较多的结构复合材料。由于碳纤维的增强作用，其力学性能得到了提高，克服了一般基体材料强度低的缺点，保持了基体耐侵蚀、抗热冲击、耐高温性能，又具有高的比强度、比刚度、极低的烧蚀率和高烧蚀热、抗热震、高温力学性能优良等特点，被认为是苛刻再入环境中有前途的高性能烧蚀材料。7 0 年代以来，美国战略武器的头部防热材料的研制已从硅基转向碳基“】，碳纤维复合材料已成为第三代战略核武器头部防热的主要材料。美国最新式的战略核武器“民兵一”型导弹是分导式M K l 2 A 多弹头，该导弹的头锥是由碳纤维复合材料制成的，见图1 1 3。正是

25、由于其高强度、低密度、高温稳定性及良好的抗热振性，使得这种材料被广泛用于固体火箭发动机喷管、喉衬，火箭重返大气层系统的防护罩以及导弹的端头帽。碳纤维复合材料除了在航空航天领域之外，在体育娱乐用品领域(网球拍、钓鱼杆、高尔夫球杆)等也有广泛的应用。所以碳纤维复合材料在导弹、航空航天工业，在汽车工业，化学工业，电子、电器工业，医疗方面都有广泛应用。1 2 国内外有关纤维复合材料的切削研究成果综述1 2 1 国内外研究现状(1)复合材料切削机理的研究孟宪超：碳纤维复合材料钻孔加工工艺研究与均质的金属材料相比，复合材料是由增强基和基体构成的非均质材料，而且增强基和基体的导热性、热膨胀系数等物理性能和力

26、学性能均有很大的差别。因此，复合材料的切削过程除了受到基体和增强基材料特性的影响外，还受到增强基的取向分布等因素影响，切削过程极为复杂，切削破坏形式与金属材料有很大区别，给复合材料切削加工机理的研究带来了很多困难。7 0 年代以前，复合材料的加工基本上沿用金属材料的加工刀具和切削工艺，后来在复合材料切削加工过程中遇到越来越多的问题，如刀具快速磨损、钻孔分层等。这些问题的出现给复合材料的加工提出了新的课题，7 0 年代后国际上陆续发表了一些有关复合材料加工的论文，早期的复合材料加工技术的研究是塑料加工的延伸。8 0 年代，M i n e r和M a c k e y 在研究了两相复合材料切削工艺的

27、复杂性后指出不仅要更新刀具概念，而且也需要改进切削工艺。复合材料切削机理的研究是国内外学者研究的重要方向。与金属材料加工不同，复合材料中的增强纤维是切削过程中的主要磨损要素，复合材料中的基体在切削过程中主要将切削力传递到纤维上，材料的各向异性经常导致复合材料制品出现纤维拔出、内部脱粘、分层等缺陷，这可能导致复合材料力学性能降低和表面粗糙度变差，因此复合材料切削力的研究成为切削机理研究的热点。K o p l e v 等人于1 9 8 3 年首先通过基于快速落刀法的实验研究，提出了碳纤维复合材料切屑形成过程是材料断裂过程的观点，并指出切削表面质量与增强纤维的取向有关。H o c h e n g 和

28、P u w 在凹E E K、C A B S 和C E 复合材料磨削试验的基础上，提出预测复合材料切削力的机械学模型，分析了纤维方向对切边、表面粗糙度和切削力的影响，并推荐了纤维的磨削方向。c W W e r e 和M R a m u l u 等人用光弹法，研究和分析复合材料切削过程中的应力场分布，指出纤维方向对切削力和应力场的分布有重要影响。日本的金枝敏明等在对碳碳复合材料的切削研究中得出了碳碳复合材料在切削工程中的破坏形式以及增强纤维的角度对对切削力和表面粗糙度的影响。花畸伸作等人对C F R P 切削机理和刀具的磨损机理进行了研究。北京航空航天大学的陈鼎昌等人，建立单向C F R P 钻削

29、过程中的钻削力理论模型，分析了纤维角日与切削力之间的关系，提出了碳纤维复合材料加工过程中分层和撕裂产生的原理，并提出了解狭的办法，为碳纤维复合材料切削机理的研究提供了理论参考。D H W a n g 等人利用直角自由切削的方法，研究单向和多向复合材料的切削机理，探讨了纤维方向与切削方向夹角对加工表面粗糙度的影响。虽然人们通过以上工作，从不同角度研究纤维方向与切削力之间的关系，得出了切削过程中纤维的破坏模式，但是有关切削力对复合材料性能的影响的研究、刀具材料和几何参数与复合材料的切削力之间的关系等尚缺乏深入细致的研究。大连理工大学硕士研究生学位论文复合材料切削热一方面来自纤维断裂和基体剪切所消耗

30、的功，另一方面来自切屑对前刀面的摩擦和后刀面与已加工表面的摩擦所消耗的功。鉴于复合材料切屑形成过程是基体破坏和纤维断裂相互交织的复杂过程，加上复合材料的导热性比金属材料差等原因，切削过程中切削热将主要传向刀具和工件，导致刀具的快速磨损，甚至损伤复合材料的性能。目前，复合材料切削热的研究主要集中在钻削加工的切削温度的测量方法上。如，赵建设等人采用热像仪测得了碳环氧复合材料高速钻孔时的钻削温度和温度场分布；北京航空航天大学复合材料加工技术研究课题组先后采用热像仪、红外测温仪、人工热电偶等手段测试C E 复合材料钻削过程中的切削热。目前最常用的测温方法就是人工热电偶法，热电偶法在切削温度测量中应用极

31、为普遍，它具有测量准确度高、结构简单、易于实现、动态响应快、测温范围广等优点。但是埋设热电偶工艺复杂，环节多，线路长，由此带来的偶然因素影响大：比较适合3 0 0 C 1 6 0 0 C 的测量范围内使用，对于2 0 0 以下的温度，由于电势值相对较小，冷端补偿引起的误差相对较大，故在该范围内不适用；另外热电偶法不能观察到切削过程中温度场的分布和变化，也测不到温度的最高值及所处位置，不适合高速切削温度的测量。而热像仪测温具有以下优点：直接测量工件温度；精度高；响应快；可用于测量小目标物体；可测量温度分布不均匀的被测对象，并记录下温度随时间的变化情况，但是测量温度不准确。(2)复合材料切削刀具材

32、料及结构方面的研究：复合材料切屑形成过程是一个基体破坏和纤维断裂相互交织的复杂过程。因此在此过程中，纤维作为切削硬质点连续磨耗刀具，因纤维断裂和基体剪切，以及切屑与前刀面、后刀面与已加工表面之间的摩擦而产生大量的切削热，加之复合材料导热性差等原因，切削热主要传向刀具和工件，导致刀具的快速磨损，许多刀具都难以完成复合材料构件的切削全过程，影响加工效率和加工精度。因此，降低切削热和选用耐热性能优良刀具材料是解决刀具过快磨损问题的重要途径，而选用合理的刀具结构及几何参数，是在不改变其他工艺参数的情况下解决切削热问题的重要手段。由此可见，研究刀具材料、刀具结构及几何参数对复合材料切削加工过程的影响规律

33、，选用合理的刀具材料、刀具结构及几何参数是解决复合材料难加工问题的关键。近年来，切削刀具材料及结构参数的改进研究成为复合材料切削工艺研究的又一热点。在这方面研究中，J R F c r r e i r a i 置过实验得出了切削C c 复合材料的最佳刀具为P C D 刀具；北京航空航天大学的陈鼎昌等人，在C F R P 钻削过程中得出金刚石刀具是钻肖 l C F R P 材料的最佳选择：另外大连轻工业学院的张伟等人也对钻削碳纤维复合材料的刀具刃型做了实验研究，得出了钻削碳纤维复合材料的最佳刀具参数。目前已开发了些先进的刀具材料，包括不同结构形式的聚晶金刚石刀具、金刚砂镀层刀具和金刚石涂层刀具等，

34、如中心钻、铣刀、钻头、磨削砂轮等。孟宪超：碳纤维复合材料钻孔加工工艺研究图1 4 为一种改进复合材料钻孔用的钻头。它是一个三刃钻头，特点是有一个小平面，刃面采用T i C N 涂层，基体为超细颗粒的硬质合金，可实现高速较高精度的切削。图1 5 为复合材料磨削加工孔的一种砂轮。图1 4 一种改进的复台材料钻孔用的钻头F i 9 1 4a l li m p r o v e dd r i l lf o rt h ec o m p o s i t em a m f i M容膈槽图1 5 用于复合材料内孔磨目加工的砂轮F 1 5g r i n d i n gw h e e lf o r t h ec o

35、 m p o s f f em a t e r i a lh o l e目前，大多数研究还处在只针对某一种复合材料，通过切削工艺试验对比的方法选择适用的刀具材料、刀具结构及几何参数的阶段，而且被加工材料大多局限于G F R P、C F R P、K F R P 等聚合物基复合材料。国外一些大公司为了解决难加工复合材料切削问题，进行了一些有益的探索，开发出了许多特殊刀具，如波音飞机公司针对芳纶纤维增强复合材料加工问题，开发了一种贯穿全长的单向四槽螺旋硬质合金铣刀，靠近刃口有一个反方向的螺旋槽，开槽与刀具轴线成2 0。，较好地解决了切削热问题。另外，S a n d v i c k和K e n n a

36、 m c t a l 公司也研制出了用于碳纤维复合材料加工的硬质合金铣刀和钻头。(3)切削工艺与复合材料性能之间的关系的研究：切削工艺对复合材料性能的影响是复合材料加工技术研究中最重要的内容，国内外在这方面的研究尚处于起步阶段，有许多工作有待进行。目前复合材料的二次加工方法主要有传统的机械加工和特种加工两种。传统的机械加工方法包括车、铣、磨、钻等，目前基本上沿用传统的金属切削加工工艺和装备，具有加工方法简单、工艺成熟、设备投入少等特点，但同时也存在刀具磨损快、加工精度难以保证、加工效率低、加工过程中产生有害的粉末状切屑等缺点。特种加工方法包括激光加工、水射流切割、电火花加工、超声波加工和电化学

37、加工等，在加工精度、加工复杂型面等方面有较大的发展潜力，目前还处于研究阶段。目前传统的机械加工方法仍是复合材料加工的主要手段。实践证明，由于复合材料的性质与金属不同，因此在复合材料的加工中不能简单地沿用金属材料的加工刀具和工艺。上述结果研究了复合材料性能与切削工艺之间的某些关系，但没大连理工大学硕士研究生学位论文有深入分析切削工艺对复合材料性能的影响，因此不可能从改进切削工艺的角度来减轻复合材料的损伤，有必要深入开展这方面的研究。目前国内外对复合材料切削加工工艺的研究较多，并取得了很多有益的成果。K o p l e v 等人最早开展这方面的研究工作，他们在研究中发现切削平行于纤维方向时，切削表

38、面有可见的纤维，垂直于纵向的纤维都全部破裂。当切削垂直于纤维方向时，在切削表面未发现纤维，相反他们发现整个切削表面有一层薄薄的基体材料，K o p l e v 等还发现了在表层下面有一层材料断裂。此外，当切削垂直于纤维方向时，他们还观察到无断裂的凹槽，相反当切削平行于纤维方向时，凹槽前面有裂纹现象。I n o u e 和K a w a g u c h i 报告了磨削过程中磨削表面的质量与纤维方向有关。以实验观察结果为基础，K o p l e v 等人指出，C F R P 的切削方向垂直于纤维方向时，在刀尖附近出现了两种不同的结果，当刀具向前移动时，它对复合材料施加压力，引起复合材料断裂，并产生

39、碎裂，同时作用在刀具下的切削力在试样中，产生一个细小的裂纹(约0 0 1 m m 深)，当切削方向平行于纤维方向时，刀其施加在工件上的力引起复合材料断裂【6 1。在国内，胡宝刚等人进行碳纤维复合材料的切削和切割加工工艺研究，对各种切削刀具的材料、几何角度提出建议，并推荐了相应的工艺参数；张厚江等人通过实验研究了碳纤维复合材料的钻削加工工艺，并提出了提高碳纤维复合材料孔加工质量的方法。但目前的研究仍然主要集中在碳纤维复合材料的加工工艺研究，且缺乏较系统深入的研究，刀具磨损过快、加工精度和表面质量难以保证、加工效率低等问题仍未得到很好的解决，目前还不能提供对实际加工有真正指导意义的较完善的加工工艺

40、规范和工艺数据库。在特种加工技术中水射流加工和激光加工在复合材料切削加工中的应用研究最引人注目。其中水射流加工尤其适合加工薄的复合材料层压板，优化的水射流加工通过调整工艺参数能克服常规机械加工的部分缺点。切割能从任何方向(角度)开始，对被切削材料的厚度几乎没有限制。另一优点是切削阻力小，工件不易撕裂和分层。主要缺点是当工件厚度增加时易引起表面毛刺，与碳纤维复合材料相比，加工G F I 冲时易产生崩边。此外由于复合材料中环氧等基体在加工过程中吸收水分而导致纤维拔出、内部脱粘、分层等缺陷，这对于航空航天材料是一个严重的问题，因为这可能导致质量增加和强度降低及加工表面的不规则和分层等。激光加工的物理

41、过程是传热，当激光打到工件时，反射、吸收和激光传导、反射的激光束的数量主要取决于激光源的波长、工件表面粗糙度、氧化度、光的温度被复合材料吸收的激光能的大小，取决于材料光学性能和热化学性能。激光切削复合材料的特点是材料浪费少(宽度窄)、安装时间短、无需切削刀具(也无刀具磨损问题)、切削深度大、热输入低，工件的撕裂和损伤较小。激光加工可能的局限孟宪趣：碳纤维复舍材举I 钻j 曲工工艺研究是热影响区(f-t A Z)，切削时高温传递给工件，容易引起复合材料内部基体材料的变化，并可能导致材料疲劳性能的降低。另外钻深孔时会降低孔的质量，钻盲孔时难以控制钻孔深度。(4)复合材料表面质量评价技术的研究复合材

42、料构件的表面质量是影响构件的性能、成品率和可靠性的重要因素。因此研究开发复合材料表面质量的检测与评价技术对保证复合材料构件产品的质量，提高产品的可靠性具有重要意义。复合材料零件机械加工表面具有不同于金属零件机械加工表面的特性，简单地沿用金属材料机械加工表面质量检测与评价技术存在许多问题。近年来国内外学者针对复合材料表面质量的检测与评价难题，开展了一些研究工作，如王金明等人研究了基于T a l y S c a n l 5 0 型表面粗糙度测试仪的复合材料表面粗糙度检测评价方法；F a nr u i 等人利用扫描电子显微镜研究了碳纤维复合材料孔壁表面的特性；张厚江等人采用声学显微镜、氯化金渗透法研

43、究了碳纤维复合材料钻削孔分层缺陷的检测方法。目前国内还没有形成较完善、实用的复合材料表面质量的检测与评价技术，在复合材料的设计、加工和使用过程中仍沿用传统的金属材料表面质量的检测评价方法，复合材料加工及其表面质量评价缺乏一个统一的方法和手段。1 2 2 钻削碳纤维复合材料存在的问题及解决方法碳纤维复合材料是由质软面粘性大的基体和强度高、硬度大的纤维混合而成的二相或多相结构，其力学性能呈各向异性，且碳纤维的硬度很高(H R C=5 3 6 5)。机械加工条件比较恶劣，层问强度低，切削过程中在切削力的作用下容易产生分层、撕裂等缺陷，钻孔时尤为严重，难以保证加工质量，是典型的难加工材料。据统计，飞机

44、在最后组装时，钻孔不合格率要占全部复合材料构件报废率的6 0 以上。(1)刀具磨损严重，耐用度低。切削区的温度高且集中于刀具切削刃附近很窄的区域内，加之碳纤维的硬度非常高，故刀具后刀面产生磨损严重，耐用度低，影响产品的形状、尺寸精度及加工表面质量。另外，刀具磨损严重和耐用度低也会导致产品加工成本的上升。(2)材料产生分层破坏。分层是因复合材料的层间结合强度低而产生的一种破坏现象，当切削参数不合理时，就会使层问受力过大而导致分层，分层会严重降低材料的性能和零件加工质量，即使是微小的分层也是非常严重的安全隐患，甚至使零件报废，严重影响产品的成品率。8 一大连理工大学硕士研究生学位论文(3)加工表面

45、的尺寸精度和表面粗糙度不易达到要求，容易产生残余应力。这主要是因为复合材料呈现各向异性，切削时切削力大，并产生大量的切削热。钻孔时尤为严重，加工精度和表面质量难以保证。(4)加工效率低。碳纤维复合材料属于典型的难加工材料，材料强度大、硬度高、各向异性，切削力大，切削温度高，导致刀具磨损加剧，难易提高加工效率。(5)切屑为黑色粉尘，容易污染环境，危害人的健康；另外切屑的导电性易使电器设备和电网短路。针对钻削碳纤维复合材料出现的问题的一些解决办法：(1)改进钻头的材质，提高钻头的耐磨性，如硬质合金、陶瓷、立方碳化硼、金刚石等。张厚江教授实验证明，金刚石钻头要优于其他种类的钻头。或者采用特殊的钻头，

46、如电镀金刚石金刚石套料钻，其原理上是采用磨削的办法来加工孔，大大的提高了钻头的使用寿命。(2)粉尘的防治，因为碳纤维复合材料中环氧等基体在加工过程中吸收水分而导致纤维拔出、内部脱粘、分层等缺陷，在钻削过程中不加切削液，所以在加工的过程中可以使用工业吸尘器。也可有效防止粉尘的污染。1 2 3 碳纤维复合材料加工孑L 的影响因素、存在的缺陷及解决方法(1)碳纤维复合材料钻削加工影响因素有以下几点：刀具类型在实际生产中，碳纤维复合材料加工对刀具的磨损严重，高速钢钻头刃磨一次只能钻3 4 个孔，采用涂层刀具耐磨性也会有所提高，如果采用金刚石钻头，其耐磨性又会比硬质合金钻头高若干倍。但耐磨性越好的刀具，

47、价格越贵。切削力切削力主要包括轴向力、扭矩和因为钻头偏斜产生的径向力。切削力所引起的切削应力超过纤维复合材料层间的结合强度会产生分层、撕裂等加工缺陷。切削刃不锋利也会引起切削力增大，使出口处产生起毛现象。轴向力是碳纤维材料孔加工缺陷产生的最主要原因。进给量进给量对钻削加工的影响主要表现在主轴转速和进给速度上。试验研究表明，分层因子毋与平均轴向力E 之间存在着近似线形的关系，在同一转速下，轴向力，z 随着进给速度诈的增大而增大：在同一进给速度下，轴向力随着转速n 的升高而降低。因为转速升高、进给速度y 降低使得进给量，减小，刀具的实际切削深度减小，刀具所受到的材料抗力减小，所以轴向力E 减小，复

48、合材料的加工质量提高。孟宪超：碳纤维复合材料钻孔加工工艺研究(2)碳纤维复合材料孔的加工缺陷碳纤维复合材料孔的加工缺陷主要有以下几种【2 ：孔入口崩裂和起毛(也称作毛边)；孔壁周围材料发生分层；孔壁表面粗糙及微裂纹：孔壁周围材料发生分层：孔出口撕裂和起毛；孔形不圆以及尺寸误差；入口：1 劈裂孔径：1。尺寸误差图1 6 碳纤维复合材料孔加工缺陷示意图F i 9 1 6s k e l e t o nm a po fd e f e c to ft h em a c h i n i n gh o l ei nc a r b o nf i b e rc o m p o s i t em a t e r

49、i a l(3)提高孔加工质量的方法主要有以下几种【2 J：控制切削参数在钻削碳纤维复合材料时，分层的大小与平均轴向力E 存在着线形或分段线性的定量关系【4】。而轴向力B 是随进给量，或进给速度吩的增加而增加的。所以在钻削碳纤维复合材料时，可以通过改变进给量，或进给速度吩，把轴向力控制在一定范围内，从而保证孔的加工质量。选择合适钻型钻削碳纤维复合材料，尽量选择合适的钻型。减小横刃的长度，增加钻头切削部分的后角，提高切削刃的锋利性。钻削碳纤维复合材料用钻尖应具有一定的刃倾角，且刃倾角为负值，可以有效防止孔加工缺陷的出现。图1 7 是大连轻工业学院的张伟等人对钻削碳纤维复合材料的刀具刃型做了实验研

50、究，得出了钻削碳纤维复合材料的合适钻型。采用合理工艺大连理工大学硕士研究生学位论文在加工精度较高的情况下，钻孔后采用铰孔工艺或金刚石磨头磨孔，能有效的降低孔的表面粗糙度和提高孔的圆度。为了防止孔出口撕裂，在实际的加工中大多采用构件加强法：即通过在工件的钻孔出口面底部垫一块支撑板或贴工艺布或涂一层胶等方法，以改善复合材料的钻入、钻出条件，防止材料弯曲、退让、剥离和隆起等现象发生。虽然这种方法可以有效地防止孔出口侧的分层和劈裂，但加工效率低，另外，下支撑板、工艺布等作为耗材，造成很大浪费，增加了钻孔的成本。另外还可以采用超声波振动钻孔。y图1 7 钻削碳纤维复合材料的一种钻型F 培1 7o n e