碳纤维增强复合材料结构钻削工艺.pdf

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⋯一盘碳纤维增强复合材料结构钻削工艺一¨～。蒋红宇龚佑宏朱春燕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。哪!9701975198019851990I钾5DrillingProcessforCarbonFibreReinforcedPlasticStructure学于晓江曹增强中国商飞上海飞机制造有限公司度高．耐疲劳性能好殷可设计性强等禽”战斗机复合西北工业大碳纤维增强复合材料(CFRP)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。20世纪80年代后服役的战机均大最采用碳纤维增强复合材料．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40％，瑞典】AS39战机占30％．欧洲“台风“战机大于40％．美国的杀手锕武器B一2战略轰炸机占到50％．美国空军最新的F一22“猛材辩用世达到了日本东丽公司成功研制出高强度，大伸长最的碳纤维T800H．1986年，又研发成功T1000．随后。日本东邦、i菱人造丝公司和夔国Hexeel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．应用西北工n大学航!宇航科砖工程毒撮技术。66舫中斟遗拄掌-20lo年翦J5卿35％。1984年．千晓江磺±．主要研雍方向为蔓岔村辩捌孔与年协田1大型客机董台#料应用情况2000200520IO2015^¨
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凡=鲁，H⋯h咖∽⋯-=。复合材料切翻加工复合材料结构制孔缺陷复合材料钻削刀具试验内容情况见图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．连接是复合材料结构的薄弱环节。据统计，航空航天飞行器中60％～80％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747电机有300多万个连接孔，而美国最先进的F一22战斗机每剐机翼要14000个精孔”’。复合材料是典型的难加工材料．其制4LI艺复杂，对刀具和T艺参数的要求更高。因此．复合材料制iLT艺巳成为复台材料应用的关键1二艺之一。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HRC值可达53—65，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：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H等”’通过试验分析得出：分层因子^与平均轴向力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fL质量，来评判不同钻削r艺的优劣。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々州刀具。如瑞典的山特维克可乐满公司已经研制出适合高纤维CFRP钻孔的专川刀肄854和适合高树脂CFRP钻}L的专用刀具CoroDrill856．这2种刀具可加1=最大赢径1270mm的孔，寿命可以达到钻650个4L(f11德围瓦尔特集团开发的WalterPCD钻头(酎4)是适合多种CFRP复合材料加1=的专用钻头．其孔径加工范围为2¨64mm。该刀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600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SPF。这些国外刀具虽然很好地提高r刀具寿命及钻孔质量．但7J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10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13前主要采_|{；jYG类硬质合金麻花钻．如YG6X、YGg和Y330。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30-40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，