碳纤维增强复合材料结构钻削工艺.pdf

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1、万方数据碳纤维增强复合材料结构钻削工艺D r i l l i n gP r o c e s sf o rC a r b o nF i b r eR e i n f o r c e dP l a s t i cS t r u c t u r e西北工业大学于晓江曹增强中国商飞上海飞机制造有限公司蒋红宇龚佑宏朱春燕千晓江西北工n 大学航!宇航科砖工程磺主要研雍方向为蔓岔村辩捌孔与毒撮技术。碳纤维增强复合材料(C F R P)是以碳或石墨纤维为增强体的树脂基复台材料。因其县有比强度、比剐度高耐疲劳性能好殷可设计性强等优点在航空航天领城中r 泛应用已发展成为继锅铜蚀之后的第四大航空航天结掬材料之一。2

2、 0 世纪8 0 年代后服役的战机均大最采用碳纤维增强复合材料6 6 舫中斟遗拄掌-2 0 l o 年翦J 5 卿钴削轴向力是碳纤维增强复合材苹 钻孔产生缺陷的主要原因。本文介绍了国内外钻削碳纤维增强复合材料的刀具，并以轴向力大小和制孔质量为标准。对钻削刀具及钻削参数进行了试验研究得出了适合钻削碳纤维增强复合材料的刀具及钻削参数。复合材料的用盘已成为衡毋E 机性能的重要指标之一。例如，法同阵风战机的复合材料用量占4 0，瑞典】A S 3 9 战机占3 0 欧洲“台风“战机大于4 0 美国的杀手锕武器B 一2战略轰炸机占到5 0 美国空军最新的F 一2 2“猛禽”战斗机复合材辩用世达到了3 5。

3、1 9 8 4 年日本东丽公司成功研制出高强度，大伸长最的碳纤维T 8 0 0 H 1 9 8 6 年，又研发成功T 1 0 0 0 随后。日本东邦、i 菱人造丝公司和夔国H e x e e l 公司相继研制出同类高性能碳纤维为制造大飞机提供了新型复合材料。从此，姥纤维增强复合材料在大E 机上的用量直线上升应用哪!9 7 0 1 9 7 5 1 9 8 0 1 9 8 5 1 9 9 0 I 钾52 0 0 02 0 0 52 0 I O2 0 1 5年协田1 大型客机董台#料应用情况一。一一盘万方数据咖-=。复合材料切翻加工情况见图I。碳纤维增强复合材料在应用过程中往往要与其他结构进行连接连

4、接是复合材料结构的薄弱环节。据统计，航空航天飞行器中6 0 8 0 的破坏都发生在连接部位”】。连接中最常采川的机械连接需要先制孔。例如，一架波音7 4 7 电机有3 0 0 多万个连接孔，而美国最先进的F 一2 2 战斗机每剐机翼要1 4 0 0 0 个精孔”。复合材料是典型的难加工材料其制4 L I 艺复杂，对刀具和T 艺参数的要求更高。因此复合材料制i L T 艺巳成为复台材料应用的关键1 二艺之一。复合材料结构制孔缺陷碳纤维增强复合材料是由质软而粘性丈的基体材料和强度高、硬度大的碳纤维增强材料混合而成的二丰日或多相结构其力学性能呈各向异性层问强度低切削时在切削力的作用下容易产生分层、劈

5、裂等缺陷。碳纤维增强复合材料钻削加工中主要存在以下问题：(1)材料硬度大，其硬度H R C值可达5 3 6 5，相当于一般高速钢的硬度，因而钻孔时钻头磨损很快；(2)层间强度低，在钻孔过程中易产生分层等缺陷；(3)属于各向异性材料钻孔处的应力集中较大，极易引起劈裂等缺陷；(4)热导率小，线胀系数和弹性恢复大，钻孔时，存在编孔现象；(5)切屑为粉尘状对人体健康危害大。分层是碳纤维复合材料钻孔的主要缺陷。分层缺陷的大小可以用分层因子(n)来表示。分层因子可以用以下公式表示：凡=鲁，其中，D 表示最大损伤区域的直径，D 表示孔的实际直径如用2 所示。H hn gH 等”通过试验分析得出：分层因子 与

6、平均轴向力f问存在着线性或分段线性关系：平均轴向力f 越大，分层因于F。越夫，分层越严重。陶此，可以通过平均轴向力的大小以及制f L 质量，来评判不同钻削r 艺的优劣。复合材料钻削刀具国外一些著名刀具生产厂商已经开发研制出适合碳纤维增强复合材料钻削加丁的州刀具。如瑞典的山特维克可乐满公司已经研制出适合高纤维C F R P 钻孔的专川刀肄C o m D r i l l8 5 4 和适合高树脂C F R P 钻 L 的专用刀具C o r o D r i l l8 5 6 这2 种刀具可加1=最大赢径1 27 0 m m 的孔，寿命可以达到钻6 5 0 个4 L(f 1 13)。德围瓦尔特集团开发的

7、W a l t e rT i t e xP C D 钻头(酎4)是适合多种C F R P 复合材料加1=的专用钻头其孔径加工范围为2 6 4 m m。该刀固3 山特堆克可乐满月冥具能有效减小轴向力，从而减小复合材料的撕裂分层和毛刺等缺蹈，寿命可以达到钻6 0 0 个孔。另外，荚同的肯纳刀具针对碳纤维增强复合材料也研制了复合材料专 H 钻头S P F。这些国外刀具虽然很好地提高r 刀具寿命及钻孔质量但7 J 具对机床设备的要求比较高，需要在数控加_ 中心上应用且价格昂贵为同尺寸国产硬质合金刀具的1 0 多倍。我同目前还没有钻削碳纤维增强复合材料的专用刀具。复合材料应用部门1 3 前主要采_|；j

8、Y G 类硬质合金麻花钻如Y G 6 X、Y G g 和Y 3 3 0。这种刀具制造简单，成本低，易于w 磨，对机床设备要求低。但使用寿命低，一般计削3 0-4 0 个孔后就需要进行刀磨。为了提高刀目的使J；I 寿命，-此川具厂商对刀具进行表面涂层处理，如氨铝化钛涂层和金W 4 石涂层。试验内容钻削碳纤维增强复台材料一般采用高转速和低进给量。本试验采用高速台钻Z 4 0 0 6 A 具有1 3 7 0 r m in、3 7 0 0 r m i n、6 9 0 0 r m i n、1 0 0 0 0 r m i n 四级转速满足钻削时高转速的要求为了全面研究各类工艺参数对钻削轴向力和制孔质量的影

9、响，作者对该钻床进行r 改进。在钻床L加七步进电机实现钻床自动进给功能进给母可大范同捌整舟5 为碳纤维增强复合材料钻削轴向力测量2 0 1 0 年第1 5 蚺航f A 翻造技术6 7万方数据固5 轴向力测量 台i 意图平台示意囝，钻头钻削碳纤维增强复合材料叫，产生一个向F 的轴向力K i s l l e r 9 2 5 7 A 测力仪将力信号转换成电信廿，经K i s l l e r 5 0 1 9 电荷放大器放大后由数据采集器和专用测儿软件3 0 1 0 D E W E 在计算机上形成动态轴向力曲线罔，如同6 所示(主轴转速n=6 9 0 0 r l m i n，进给量f-0 0 1 m n

10、 d r)。作者主要从7 丁具和钻削参数2方面对复合材料的钻削工艺进行了研究。刀具包含刀具材质和几何参数；钻削参数包岔主轴转速和进给量。由于切削渡对复合材料的性能有不良的影响9 1 所以在钻削碳纤维增强复合材料时，一般采用十切削的方法。试验选用的刀具主要有Y G 8、Y 3 3 0 和Y 3 3 0(涂层)，苴巾涂层为金刚石涂层。3 种钻头钻型均为标准麻花钻。钻削材料为4 4 m m 厚的碳纤维增强复合材料板，铺层方向H 5 0-4 5 9 州。试验中，为消除钻头磨损的影响，除特别说明外每支钻头只钻一个孔，为防止出口劈裂在钻头出口侧垫聚氯乙烯硬塑料板。结果及分析1 刀具的影响钻削碳纤维增强复合

11、材料刀具材质、直径和钻型对钻削轴向力和制孔质量都有影响。6 8 航市制造技术2 0 l O 年第1 5 期1 1 月具材质的影响圈7 为直径35 r a m 的Y G 8、Y 3 3 0 和Y 3 3 0(潦层)钻头在不同钻削参数下钻削碳纤维复合材料的轴向力曲线圈。可以看出3 种钻头钻削的平均轴向力都随着进给量的增大呈现的增大趋势。在相同的参数下，轴向力相差不大这是因为3 种刀具同为Y G 类硬质台金性能相似。Eio霉选取上述试验中转速6 9(劬r m i n，进给量0 0 l m m r 的3 支钻头进行试验。在转速6 9 0 0 r m i n，进给量o O l m m r 条件下研究随着

12、钻孔数量的增加轴向力的变化，结果如图8 所示(月=6 9 0 0 f r a i n f-0 0 1 m m r)。随着钻j L 数的增加，3 种钻头的轴向力逐渐增大。这是因为随着钻孔数的增加钻头磨损量增大从而导致轴向力增大。比较有涂层的和时q s目6 动态轴向力曲线目0n O lo 0 20 0 30 0 40 0 50 f m进蛤畦，(h i m r 1)图7 月具材质对轴向力的影响fn-6 0 0 0 r m i nl钻孔个数，个圈8 钻孔个数对轴向力的影响椰o加砧砷蚰蚱帅站万方数据一。一一。复合材料切啊加工无涂层的Y 3 3 0 钻头的钻削前2 0 个孔的平均轴向力Y 3 3 0(涂层

13、)平均轴向力略大于Y 3 3 0。这足因为：涂层之后，刀具切削刃变钝。但在钻过一定孔数量(2 0 孔)之后Y 3 3 0(涂层)平均轴向力小于Y 3 3 0，兑明涂层材质很好的提高了刀具的耐磨性。罔9 为钻削一定数量孔后3 种钻头的磨损情况。从图中可以看m 钻削6 0 孔后Y 3 3 0 钻头磨损比较严重Y G 8 磨损量相对小些，Y 3 3 0(涂层)钻头虽然所钻孔数比较多(釉孔)，但磨损最小。试骑中Y G 8 和Y 3 3 0 钻头钻削4 0 多个无缺陷孔后，继续钻孔，由于切削刃变钝，所钻的孔产生起毛、翻边缺陷，Y 3 3 0(涂层)钻头可以钻削舯多个无缺陷的孔。12 刀具直径的影响径孔(

14、A 径大于80 r a m)的加1：可以采用烧结金刚石套料钻和电镀金刚石套料钻，这种加T 做变了加丁方式，将钻削加工变成了磨削加1 二但排屑比较刖难，a 所制的孔质量也不高。尢直径孔切削力的增大是由于切削面积增大而引起的，减小切削面积轴向力也会相应的减小。因此，斌验中采用钻孔一扩f L)J t l l=方式先用硬质合金麻花钻钻初孔然后采用扩f L 钻进行扩扎，一扶扩孔量町以取2 6 r a m。13 钻型的影响钻头在钻削碳纤维增强复合材料时钻头横刃处的切削情况极为恶劣，实际上不产生切削作用，只是滚卷和粉碎纤维是轴向力的主要来源。作者选用6 7 r a m 四直槽钻铰复合钻和6 0 m m Y

15、3 3 0(涂层)麻花钻进行r 试验。四直槽钻铰复合钻钻尖处没有了阻碍切削的横刃，有利于减小切削力同时还能铰孔，不仅精度高而且效率也高。图1 1 为电子显微镜下四直槽钻铰复台钻与Y 3 3 0：涂层)麻花钻所钻孔的孔壁形貌：n=1 0 0 0 r m i n，卸0 5 6 m r r d r)。Y 3 3 0(涂层)麻花钻所钻孔的 L 壁存在许多凹痕，这是由于纤维切削断口不平档引起的。四直槽钻铰复合钻所钻孔的孔壁比较均匀光滑孔壁质量明显高于Y 3 3 0(涂层)麻花钻且6 7 m m 四直槽钻铰复合钻的钻削轴向力小于6 0 m m Y 3 3 0(法层)麻花钻。因此四直槽钻铰复合钻比麻花钻更适

16、合碳纤维增强复合材料的钻削加工。a)w 8 钻6 0 扎图l o 为不同直径的Y 3 3 0(涂层：刀具在相同钻削参数下，钻削碳纤维增强复合材料的平均轴向力曲线罔。从图中可以看出：钻削轴向力随着刀具的直径增大而增大。这是因为随着刀具直径的增大钻头切削刃切削面积增大，从而导致切削力增大。通过试验得m：硬质合金麻花钻一般适合钻削直径3,0 80 m m 的孔；钻削大于80 m m 孔时，容易产生分层、剥层和劈裂等缺陷。对于大直(b)Y 3 3 4 1 钻6 0 孔(一Y 3 3 0f 潍屡)钻舯孔圈9T 同材质钻头磨损状况运霹灯出月其苴释，m m圄1 0 具直径对轴向力的影响2 0 1 0 年第1

17、 s 期航窀捌盗挂术6 9万方数据a)日直樯钻饺复台钻翳(b)Y 3 3 0 f 缘层)麻他钻围1 1 不目钻头所钻孔的孔壁形貌2 钻削参数的影响从罔7 中可以看H ：平均轴向力随着进给量的增大都呈现增大趋势为了提高钻孔质量进给量可取0 0 1 0 0 4 r a m 范嗣内。图1 2 为直径3 0 m m 的Y 3 3 0(涂层)钻头在0 O l m m r进给量下，以不同转速钻削碳纤维增强复合材料的轴向力曲线幽。从图中可以看出：轴向力随着转速的增加而呈现减小的趋势，曲线的曲率随着转速的增加逐渐减小在转速超过6 0 0 0 f r a i n 后，曲线已经变得很平缓。南卡切削热的存在，转速越

18、高钻削温度越高，且高速下对钻床刚度要求也高。因此，转速不宜太高建议转速取在3(1 0 0 枷r r a i n范围内，对于刚度好的机床可以适当提高转速；对于刚度差的机床可以适当降低转速。夹层结构钻孔实际生产中经常需要对碳纤维增强复合材料与钍合金、铝合金夹层结构钻 L。目前，生产中一般采用整7 0 航窄崩遗技术2 0 1 0 年菲1 5 期目1 2 主轴转琏对轴向力的影响体硬质合金麻花钻按钻削钛合金、铝合金的转速和进蛤量进行钻削直至钻通。但这种加T 工艺存在很大m l 题特别是钻H 4 碳纤维增强复台材料与钛合金夹层结构时。碳纤维增强复合材料与钛台金都是的舆型难加T 材料碳纤维增强复合材料钻削要

19、求高转速和小进给量，钻削过程巾一般采用干切削。，钛台金导热系数小弹性恢复大冷硬、特结，扩散现象严重，易于氧化钻削中有回弹尺寸不稳定。一般采用低转速和适量进给量，且钻削中加切削液。作者采用Y 3 3 0(涂层)麻花钻，以钻钛合金的转速和进给量钻削碳纤维增强复合材料和钛合金夹层结构。试验发现：钻头从钛合金侧钻人孔径K 寸精度高于从复材侧钻人，因此，应优先从钍合金一侧钻孔。钻削时复材易产生烧伤觋象，通过加鲸蜡醇钻孔润滑剂，可以缓解复材的烧伤现象。钛舍金孔径存在扩张量扩张量一般在0 0 2 r a m 左右，碳纤维增强复台材料的孔径收缩量一般在0 0 l m m 左右。要获得高精度的孔，需要对夹层结构

20、进行铰孔。经铰孔后，碳纤维增强复合材料孔径与钛台金 L 径的极差可以达到0 0 I r a i n 以下。夹层结构的钻孔，应采用专用加工刀具。同内某飞机制造公司经i=上多年的研究已经研制出适合夹层结构钻孔的组合型刀具，该刀具可以较好地提高钻孔质量和刀具寿命。波音公司针对碟纤维增强复合材料与钛合金钻削加T 专门研制了P C D组合钻头，取得了良虾的效果。刀具寿命得到了较大的提高，钻孔质量也有所改善，同时提高丁加工效率，但此类钻头制作T 艺比较复杂价格昂贵，是普通硬质合金钻头的几百倍。结束语钻削轴向力是碳纤维增强复合材料钻孔产生缺陷的主要原因。本文介绍r 周内外钻削碳纤维增强复合材料的刀具井以轴向

21、力太小和制孔质量为标准，对钻削刀具及钻削参数进行r 试验研究，得出了适合钻削碳纤维增强复合材料的刀具及钻削参数，并研究了大直径-E(直径大r8 r a m)以及碳纤维复合材料与钛合金夹层结构的加工方法。提出采用钻孔一扩孔加工方式加J。大直径孔。对于碳纤维增强复合材料与钛合金夹层结构制孔优先从钛合金侧钻人，钻削时加润滑剖。参考文献f 1 陈志复台材料技术与大飞机航卒学报，2 0 0 8，3(2 9)：6 0 5 1 02 i 官焕华复合材抖的加I I 艺与连接技术宁航材料工艺1 9 9 8，【4)：2 8-3 1 3】F-2 2 战斗帆专辑航空周H 1 9 9 7 4 31 4JH o e h

22、e n gH T 8 a oc CE f f e*_|I so fdd r i l lb i t sr d r i l l i n g i n d u c e dd e l l i o no fr o m F,n S i l em a t e r l n l 5I n t e m a l i o n a lJ l lo fM a c h i n eF o o l s 蚰dM 口l l 缸n J m2 0 0 64 6(1 2 3l：1 4 0 31 4 1 6【5】S H l 日cc P id e g r 8 d a t|ld I of l u i da b 8 0 r p l i n n f

23、 J I-Cr*m p o s l t eF e r lB：E”口“g，2 0 0 0 3 1f5)：3 5 7-3 7 3f 6 j 伊i 华钻削钍和复合材料的新划玎县产品与挂术1 9 9 6(3】6 7 贯编侧卫)万方数据碳纤维增强复合材料结构钻削工艺碳纤维增强复合材料结构钻削工艺作者：于晓江，曹增强，蒋红宇，龚佑宏，朱春燕作者单位：于晓江,曹增强(西北工业大学)，蒋红宇,龚佑宏,朱春燕(中国商飞上海飞机制造有限公司)刊名：航空制造技术英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：2010，(15)被引用次数：0次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.陈少杰 复合材料技术与大型飞机 2008(29)2.官焕华 复合材料的加工工艺与连接技术 1998(4)3.F-22战斗机专辑 1997(43)4.Hoeheng H.Tsao C C Effects of special drill bits on drilling-induced delamination of composite materials2006(12-3)5.Sala G Composite degradation due to fluid absorption 2000(5)6.伊洁华 钻削钛和复合材料的新型刀具 1996(3)本文链接：http:/