碳纖維復(fù)合材料制孔分層缺陷的研究

郭 瓊 李慶飛

（中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究部，中國(guó) 上海201210）

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)作為一種先進(jìn)材料，具有重量輕、比強(qiáng)度大、耐腐蝕、耐疲勞等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在CFRP的鉆削過(guò)程中，其已加工孔除有傳統(tǒng)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(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)生一些復(fù)合材料所特有的損傷缺陷。制孔缺陷區(qū)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(jù)統(tǒng)計(jì)，在航空制造領(lǐng)域，飛機(jī)組裝時(shí)鉆孔不合格率占全部復(fù)合材料構(gòu)件報(bào)廢率的60%以上[2]，因而成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。

1 分層缺陷形成機(jī)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(chǎn)生則不可修復(fù)，對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度和壽命有著致命的影響。分層是指由層間應(yīng)力或制造缺陷等引起的復(fù)合材料鋪層之間的脫膠破壞現(xiàn)象。制孔工藝中的分層主要是由加工過(guò)程中軸向力作用而引起的孔壁周?chē)牧习l(fā)生的層間分離現(xiàn)象。從鉆削機(jī)理的角度來(lái)分析，鉆頭在鉆削CFRP時(shí)主要產(chǎn)生兩個(gè)作用力，即軸向力和扭矩。其中，軸向力產(chǎn)生垂直應(yīng)力，引起I型撕裂破壞；扭矩會(huì)產(chǎn)生面外剪切應(yīng)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(jié)果，而鉆孔偏斜則會(huì)產(chǎn)生II型裂紋，如圖1所示[3]。

圖1 CFRP復(fù)合材料的鉆削裂紋形式

CFRP的鉆削分層機(jī)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(gè)鉆孔過(guò)程中，分層主要進(jìn)過(guò)孔的入口側(cè)、中間部和出口側(cè)，其各部分分層機(jī)理如圖2所示。

鉆頭主切削刃在開(kāi)始切削碳纖維時(shí)，碳纖維受推力而與鉆頭前部未切削部分間產(chǎn)生一面外剪切應(yīng)力，引起III型裂紋破壞；鉆頭前端對(duì)未切削部分會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向向下的推力，但由于未切削部分相對(duì)已切削部分來(lái)講厚度還較大，承載能力較強(qiáng)，故軸向力引起的未切削部分與已切削部分間的垂直應(yīng)力會(huì)很小，所以入口側(cè)主要以III型裂紋破壞為主。

當(dāng)鉆頭鉆至層合板中間部分時(shí)，已鉆削部分己較厚，抗扭能力已較強(qiáng)，III型裂紋破壞消失，而這時(shí)I型裂紋破壞作用還不強(qiáng)，故層合板中間部分幾乎無(wú)分層產(chǎn)生。

鉆頭在鉆至出口側(cè)時(shí)，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(shì)必會(huì)產(chǎn)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(yīng)力，造成I型裂紋破壞；而這時(shí)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(cè)分層主要由I型裂紋的破壞所引起。

圖2 鉆孔時(shí)各部分分層機(jī)理示意圖

圖3 分層評(píng)定示意圖

目前國(guó)際上有關(guān)CFRP鉆削分層的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有三種：一維分層系數(shù)，二維分層系數(shù)和修正分層系數(shù)。其中一維分層系數(shù)(Fd)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)因簡(jiǎn)單易測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用最廣泛。圖3所示為分層評(píng)定示意圖。本文主要以一維分層系數(shù)(Fd)來(lái)衡量鉆孔時(shí)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(yàn)研究

本節(jié)將重點(diǎn)研究鉆削參數(shù)對(duì)CFRP制孔缺陷的影響規(guī)律。相關(guān)研究[2]已表明主軸轉(zhuǎn)速（n）和進(jìn)給率（f）是影響制孔缺陷的關(guān)鍵因素，并且進(jìn)給率的影響要遠(yuǎn)大于主軸轉(zhuǎn)速的影響。因而，在試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，將主軸轉(zhuǎn)速的范圍設(shè)置較大，而進(jìn)給率的變化范圍設(shè)置較小，以全面反映主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率對(duì)制孔缺陷的影響。將n的水平設(shè)置為：6000、8000和10000rpm；f的水平設(shè)置為：0.01、0.02和0.03mm/rev。試驗(yàn)過(guò)程中，制孔入口分層區(qū)很小，與出口分層區(qū)相比幾乎可以忽略不計(jì)，故僅考慮出口處的分層。采取單因素試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，以一維分層系數(shù)(Fd)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，圖4至圖7所示分別為CVD涂層匕首鉆、無(wú)涂層匕首鉆、CVD涂層麻花鉆和無(wú)涂層麻花鉆制孔時(shí)進(jìn)給率（f）與分層系數(shù)(Fd)之間的關(guān)系圖。

圖4 CVD涂層匕首鉆f與Fd的關(guān)系

圖5 無(wú)涂層匕首鉆f與Fd的關(guān)系

由圖4和圖5可見(jiàn)，對(duì)于匕首鉆和麻花鉆而言，進(jìn)給率越大，分層系數(shù)越大，這是因?yàn)槌隹诜謱又饕怯摄@削軸向力所引起，進(jìn)給率的增大將會(huì)導(dǎo)致軸向力的增大，進(jìn)而加劇材料的分層損傷。相反，主軸轉(zhuǎn)速的提高則有利于分層系數(shù)的減小，其原因主要是主軸轉(zhuǎn)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(guò)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(shù)下，分層系數(shù)要略小于無(wú)涂層麻花鉆，具有更優(yōu)異的制孔性能。

圖6 CVD涂層麻花鉆f與Fd的關(guān)系

圖7 無(wú)涂層麻花鉆f與Fd的關(guān)系

圖8 試驗(yàn)鉆頭軸向力(Fa)與分層系數(shù)(Fd)的關(guān)系圖

圖8所示為4把鉆頭鉆削CFRP時(shí)軸向力(Fa)與分層系數(shù)(Fd)之間的關(guān)系曲線。由圖8可見(jiàn)，軸向力(Fa)對(duì)分層系數(shù)(Fd)有正效應(yīng)，隨著Fa的增大Fd呈急劇上升趨勢(shì)。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(wú)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(xué)特性，使得切削刃比較耐磨，但對(duì)于相同規(guī)格的鉆頭，涂層后會(huì)使得刀具刃口鈍化，使得切削刃變得不鋒利，故在相同F(xiàn)a作用的情況下比無(wú)涂層鉆頭更容易分層，致使所獲Fd較大。

綜合來(lái)看，在相同鉆削軸向力作用下，從出口分層系數(shù)的角度來(lái)分析，4把鉆頭的制孔性能優(yōu)劣排序如下：無(wú)涂層匕首鉆ffgt;CVD涂層匕首鉆ffgt;無(wú)涂層麻花鉆ffgt;CVD涂層麻花鉆。

3 結(jié)論

本文通過(guò)鉆削試驗(yàn)研究了不同鉆頭在鉆削高強(qiáng)度型T800/X850 CFRP時(shí)，制孔分層缺陷的形成機(jī)理，探討了鉆削參數(shù)對(duì)鉆削分層損傷的影響規(guī)律。試驗(yàn)鉆頭在鉆削T800/X850 CFRP時(shí)，隨著進(jìn)給率的增大，制孔出口分層系數(shù)均呈急劇增大趨勢(shì)；相反，主軸轉(zhuǎn)速的增大則有利于分層系數(shù)的減小。從降低分層損傷的角度考慮，在鉆削高強(qiáng)型T800/X850 CFRP時(shí)應(yīng)該選擇高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給的鉆削參數(shù)來(lái)進(jìn)行切削加工。在相同的軸向力作用下，無(wú)涂層匕首鉆能夠獲得更小的分層系數(shù)，表現(xiàn)出更優(yōu)異的切削性能。

［1］郝元?jiǎng)P,肖加余.高性能復(fù)合材料學(xué)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

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

［3］花岐伸作,野村昌孝.FEM方法對(duì)CFRP的切削機(jī)構(gòu)的解析[C]//日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集（C編）,1995,61卷583號(hào)（3）：1163-1168.

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