碳纖維復合材料制孔分層缺陷的研究

郭 瓊 李慶飛

（中國商飛上海飛機設計研究院結構設計研究部，中國 上海201210）

0 引言

碳纖維增強復合材料(CFRP)作為一種先進材料，具有重量輕、比強度大、耐腐蝕、耐疲勞等一系列優點，在航空航天、汽車等領域廣泛應用。在CFRP的鉆削過程中，其已加工孔除有傳統金屬材料的制孔缺陷(如孔的尺寸、位置誤差)外，由于CFRP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產生一些復合材料所特有的損傷缺陷。制孔缺陷區域主要存在于孔的入口、中間層和出口處，主要包括孔出口撕裂和毛刺、制孔分層損傷、孔壁微裂紋、凹陷和纖維拔出等[1]。據統計，在航空制造領域，飛機組裝時鉆孔不合格率占全部復合材料構件報廢率的60%以上[2]，因而成為國內外學者研究的重點。

1 分層缺陷形成機理

在CFRP的制孔加工中，分層損傷是鉆削加工中的最重要的一類缺陷，是影響孔的連接裝配性能的重要因素，一旦產生則不可修復，對復合材料的強度和壽命有著致命的影響。分層是指由層間應力或制造缺陷等引起的復合材料鋪層之間的脫膠破壞現象。制孔工藝中的分層主要是由加工過程中軸向力作用而引起的孔壁周圍材料發生的層間分離現象。從鉆削機理的角度來分析，鉆頭在鉆削CFRP時主要產生兩個作用力，即軸向力和扭矩。其中，軸向力產生垂直應力，引起I型撕裂破壞；扭矩會產生面外剪切應力，引起III型裂紋破壞；鉆孔分層和撕裂主要是由于這兩種類型裂紋破壞作用的結果，而鉆孔偏斜則會產生II型裂紋，如圖1所示[3]。

圖1 CFRP復合材料的鉆削裂紋形式

CFRP的鉆削分層機理可以表示為：

式(1)中L為鉆削制孔總分層，LF為軸向力引起的分層，LM為扭矩引起的分層。

在整個鉆孔過程中，分層主要進過孔的入口側、中間部和出口側，其各部分分層機理如圖2所示。

鉆頭主切削刃在開始切削碳纖維時，碳纖維受推力而與鉆頭前部未切削部分間產生一面外剪切應力，引起III型裂紋破壞；鉆頭前端對未切削部分會產生一個軸向向下的推力，但由于未切削部分相對已切削部分來講厚度還較大，承載能力較強，故軸向力引起的未切削部分與已切削部分間的垂直應力會很小，所以入口側主要以III型裂紋破壞為主。

當鉆頭鉆至層合板中間部分時，已鉆削部分己較厚，抗扭能力已較強，III型裂紋破壞消失，而這時I型裂紋破壞作用還不強，故層合板中間部分幾乎無分層產生。

鉆頭在鉆至出口側時，由于鉆頭前端未切削層厚度已很薄，在鉆削軸向力的作用下，勢必會產生較大的變形，從而引起未切削部分與已切削部分間的較大垂直應力，造成I型裂紋破壞；而這時雖扭矩也存在，但由于已切削部分已很厚，故III型裂紋所引起的破壞較小。故出口側分層主要由I型裂紋的破壞所引起。

圖2 鉆孔時各部分分層機理示意圖

圖3 分層評定示意圖

目前國際上有關CFRP鉆削分層的評價指標主要有三種：一維分層系數，二維分層系數和修正分層系數。其中一維分層系數(Fd)評價標準因簡單易測量的優點應用最廣泛。圖3所示為分層評定示意圖。本文主要以一維分層系數(Fd)來衡量鉆孔時的分層程度：

式（2）中，Dmax代表最大分層直徑，Dnom代表名義鉆孔直徑[4]。

2 分層缺陷的試驗研究

本節將重點研究鉆削參數對CFRP制孔缺陷的影響規律。相關研究[2]已表明主軸轉速（n）和進給率（f）是影響制孔缺陷的關鍵因素，并且進給率的影響要遠大于主軸轉速的影響。因而，在試驗參數設計時，將主軸轉速的范圍設置較大，而進給率的變化范圍設置較小，以全面反映主軸轉速和進給率對制孔缺陷的影響。將n的水平設置為：6000、8000和10000rpm；f的水平設置為：0.01、0.02和0.03mm/rev。試驗過程中，制孔入口分層區很小，與出口分層區相比幾乎可以忽略不計，故僅考慮出口處的分層。采取單因素試驗方法進行試驗，以一維分層系數(Fd)作為評價指標，圖4至圖7所示分別為CVD涂層匕首鉆、無涂層匕首鉆、CVD涂層麻花鉆和無涂層麻花鉆制孔時進給率（f）與分層系數(Fd)之間的關系圖。

圖4 CVD涂層匕首鉆f與Fd的關系

圖5 無涂層匕首鉆f與Fd的關系

由圖4和圖5可見，對于匕首鉆和麻花鉆而言，進給率越大，分層系數越大，這是因為出口分層主要是由鉆削軸向力所引起，進給率的增大將會導致軸向力的增大，進而加劇材料的分層損傷。相反，主軸轉速的提高則有利于分層系數的減小，其原因主要是主軸轉速的增加降低了鉆削軸向力，從而降低了CFRP的制孔分層損傷。比較圖6與圖7，CVD涂層麻花鉆在鉆削過程中由于主切削刃處有金剛石涂層的良好減磨與抗磨作用，故在相同鉆削參數下，分層系數要略小于無涂層麻花鉆，具有更優異的制孔性能。

圖6 CVD涂層麻花鉆f與Fd的關系

圖7 無涂層麻花鉆f與Fd的關系

圖8 試驗鉆頭軸向力(Fa)與分層系數(Fd)的關系圖

圖8所示為4把鉆頭鉆削CFRP時軸向力(Fa)與分層系數(Fd)之間的關系曲線。由圖8可見，軸向力(Fa)對分層系數(Fd)有正效應，隨著Fa的增大Fd呈急劇上升趨勢。在相同的Fa作用下，CVD涂層麻花鉆的Fd最大，匕首鉆的Fd要小于麻花鉆的Fd。至于CVD涂層鉆頭的Fd大于無涂層刀具，其原因在于雖然CVD涂層鉆頭改善了刀具的摩擦學特性，使得切削刃比較耐磨，但對于相同規格的鉆頭，涂層后會使得刀具刃口鈍化，使得切削刃變得不鋒利，故在相同Fa作用的情況下比無涂層鉆頭更容易分層，致使所獲Fd較大。

綜合來看，在相同鉆削軸向力作用下，從出口分層系數的角度來分析，4把鉆頭的制孔性能優劣排序如下：無涂層匕首鉆ffgt;CVD涂層匕首鉆ffgt;無涂層麻花鉆ffgt;CVD涂層麻花鉆。

3 結論

本文通過鉆削試驗研究了不同鉆頭在鉆削高強度型T800/X850 CFRP時，制孔分層缺陷的形成機理，探討了鉆削參數對鉆削分層損傷的影響規律。試驗鉆頭在鉆削T800/X850 CFRP時，隨著進給率的增大，制孔出口分層系數均呈急劇增大趨勢；相反，主軸轉速的增大則有利于分層系數的減小。從降低分層損傷的角度考慮，在鉆削高強型T800/X850 CFRP時應該選擇高轉速、低進給的鉆削參數來進行切削加工。在相同的軸向力作用下，無涂層匕首鉆能夠獲得更小的分層系數，表現出更優異的切削性能。

［1］郝元凱,肖加余.高性能復合材料學[M].化學工業出版社，2003.

［2］孟憲超.碳纖維復合材料鉆孔加工工藝研究[D].大連理工大學,2005.

［3］花岐伸作,野村昌孝.FEM方法對CFRP的切削機構的解析[C]//日本機械學會論文集（C編）,1995,61卷583號（3）：1163-1168.

［4］張厚江.碳纖維復合材料(CFRP)鉆削加工技術的研究[D].北京航空航天大學,1998.