碳纖維復(fù)材制孔及修邊技術(shù)的研究與應(yīng)用

王 聲，肖望東

(陜西飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司 制造工程部，陜西 漢中 723213)

碳纖維復(fù)合材料是由有機(jī)纖維經(jīng)過(guò)一系列熱處理轉(zhuǎn)化而成、含碳量高于90%的無(wú)機(jī)高性能纖維，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，不但具有碳材料的固有本性特征，而且兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維復(fù)合材料具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)。

1)碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量。

比強(qiáng)度與比模量是指材料的強(qiáng)度或模量與密度的比值。對(duì)于質(zhì)量要求嚴(yán)格的飛行器結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，比強(qiáng)度與比模量高的材料是理想的，它能夠改善結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)彈性和提高使用壽命。碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度是鋼的4.8～7.2倍，比模量是鋼的3.1～4.2倍。

2)碳纖維復(fù)合材料破損的安全性能與疲勞性能好。

高強(qiáng)度金屬材料對(duì)裂紋非常敏感，而復(fù)合材料由于纖維與基體界面起著阻止裂紋擴(kuò)展的作用，因此具有較高的損傷安全性。此外，復(fù)合材料的比疲勞強(qiáng)度高，疲勞應(yīng)變能力強(qiáng)，約為鋼的2.5倍，鋁的3.3倍。

3)碳纖維復(fù)合材料高溫性能好。

常用的航空鋁合金，當(dāng)工作溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，其彈性模量大幅度下降并趨于零，強(qiáng)度也顯著下降。而碳纖維復(fù)合材料在工作溫度400 ℃時(shí)，其強(qiáng)度與模量基本保持不變，從而提高了機(jī)體材料的高溫性能。

4)碳纖維復(fù)合材料制造工藝性能好。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造工藝簡(jiǎn)單，適合整體成形。凡能用模具制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，可采用一次或二次成形，可大大減少零件、緊固件和接頭數(shù)量，并可節(jié)省原材料和工時(shí)。用復(fù)合材料代替鉚接件可減少零件數(shù)目的1/3，減重效果比較顯著[1]。

1 碳纖維復(fù)合材料制孔、修邊常見(jiàn)加工缺陷分析

碳纖維復(fù)合材料屬于難切屑加工材料，性能脆，強(qiáng)度高，碳纖維硬度大，導(dǎo)熱性能差，導(dǎo)熱系數(shù)僅為奧氏體不銹鋼的1/5～1/10。硬度大導(dǎo)致刀具磨損快，刀具耐用度低，由于碳纖維的高硬度的各向異性、層間強(qiáng)度低，鉆孔時(shí)在切削力作用下加工質(zhì)量難以保證，易產(chǎn)生如下加工缺陷。

1)孔口毛刺。孔出口側(cè)最外層，其內(nèi)部仍存在與表層材料連結(jié)，未被完全切斷的表層纖維毛邊，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為毛刺，其方向平行于最外層纖維的鋪層方向。纖維在鉆削過(guò)程中受到拉伸或剪切，存在“順剪”“逆剪”區(qū)域，毛刺的分布具有一定區(qū)域性，是復(fù)合材料制孔加工最直觀、明顯的特征之一。

2)孔口撕裂。撕裂是發(fā)生在孔出口側(cè)最表面一層，由鉆削力作用引起最外層材料與其他層分離并被撕扯掉，出現(xiàn)材料缺失的現(xiàn)象，即撕裂的方向有沿孔出口側(cè)最外層纖維方向擴(kuò)展的趨勢(shì)。

3)入口劈裂。鉆削入口處，纖維受到切削刃的推力作用與鉆頭前端未切削的材料之間產(chǎn)生剪切力，使得纖維剝落主切削刃不能全部切斷剝起的纖維，纖維則會(huì)形成開(kāi)裂并沿著表面層纖維的方向擴(kuò)展，引起撕開(kāi)型裂紋破壞，產(chǎn)生入口劈裂。這種加工缺陷可以通過(guò)合理選擇加工參數(shù)和鉆削刀具來(lái)避免。

4)孔壁分層。從復(fù)合材料學(xué)角度講，分層是指由于層間應(yīng)力或制造缺陷等引起的復(fù)合材料鋪層之間的脫膠分離破壞現(xiàn)象。

5)裂紋。在鉆削過(guò)程中有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生因鉆頭切削去除材料后使制造過(guò)程中的裂紋暴露在孔壁表面或在鉆削力的作用下粘結(jié)碳纖維的樹(shù)脂基體開(kāi)裂，在孔壁表面形成裂紋。

6)縮孔。鉆孔過(guò)程中鉆頭與碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)生大量的摩擦熱和切削熱，這些熱量難以在加過(guò)程中通過(guò)切屑帶走或以別的方式快速釋放，致使局部切削區(qū)溫度迅速上升，從而導(dǎo)致樹(shù)脂粘接能力下降，出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象。

7)孔壁凹坑。在孔壁周?chē)袝r(shí)還會(huì)出現(xiàn)因鉆削過(guò)程中生成的熱量不能及時(shí)地散發(fā)出去，使得基體軟化在剪切力的作用下，導(dǎo)致部分材料被刀具帶出，在孔壁周?chē)纬砂伎尤毕荨?/p>

8)燒傷。在高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給的加工條件下，孔的出口側(cè)還存在因鉆削溫度過(guò)高而引起的宏觀上纖維顏色變黑、樹(shù)脂軟化的“燒傷”現(xiàn)象。

碳纖維復(fù)材制孔常見(jiàn)缺陷如圖1所示。

圖1 碳纖維復(fù)材制孔常見(jiàn)缺陷圖

2 影響復(fù)材制孔和修邊質(zhì)量的加工因素分析

影響復(fù)合材料制孔和修邊質(zhì)量的加工因素有如下三大類(lèi)：加工參數(shù)、鉆削刀具和復(fù)合材料組合形式(見(jiàn)圖2)。

圖2 影響加工缺陷的主要因素分析圖

1)加工參數(shù)。

在鉆削加工中加工轉(zhuǎn)速是影響制孔質(zhì)量的主要因素，加工參數(shù)的合理選擇是減小加工缺陷、獲得良好加工質(zhì)量的一個(gè)重要保證。

2)鉆削刀具。

碳纖維復(fù)合材料是典型的難加工材料，采用傳統(tǒng)的麻花鉆進(jìn)行鉆削加工時(shí)，由于碳纖維的硬度大，導(dǎo)熱性差，加工中的熱量大部分傳遞到刀具和工件上，刀具的磨損較快，孔的加工質(zhì)量有時(shí)不能滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

刀具的材質(zhì)不同，制成刀具的耐磨損程度就不同；鉆頭的幾何形狀不同，在鉆削過(guò)程中施加于材料表面的軸向力大小也會(huì)發(fā)生變化，加工缺陷的損傷程度也就有所區(qū)別。目前，用于碳纖維復(fù)合材料鉆孔的刀具主要有標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金刀具、釬焊PCD刀具、涂層刀具和組合刀具。

3)復(fù)合材料的連接組合。

飛機(jī)裝配中，復(fù)合材料常與金屬結(jié)構(gòu)組合連接，其組合形式種類(lèi)相對(duì)復(fù)雜，常見(jiàn)形式如下：復(fù)材—復(fù)材(如：背鰭內(nèi)部的復(fù)材縱梁和復(fù)材肋)、復(fù)材—鋁合金(如：背鰭底梁與上壁板蒙皮)、復(fù)材—鋼(如：背鰭前段與工字梁)。

3 工藝試驗(yàn)及存在的問(wèn)題

3.1 常規(guī)工藝試驗(yàn)

根據(jù)上述內(nèi)容，選用不同材料的疊層、不同加工參數(shù)和不同鉆削刀具進(jìn)行排列組合式的工藝試驗(yàn)。具體的工藝試驗(yàn)形式及內(nèi)容見(jiàn)表1。初次采用的刀具為硬質(zhì)合金刀具及部分PCD涂層的刀具。進(jìn)行排列組合疊層試驗(yàn)如圖3所示。

表1 工藝試驗(yàn)內(nèi)容排列組合表

圖3 進(jìn)行排列組合疊層試驗(yàn)圖

通過(guò)排列組合式的工藝試驗(yàn)，初步得出如下結(jié)論。

1)硬質(zhì)合金及PCD類(lèi)材料的刀具均能滿(mǎn)足碳纖維復(fù)材制孔、鉸孔及锪窩的質(zhì)量與要求，鉆初孔的轉(zhuǎn)速與制孔的孔徑關(guān)系可參照表2，擴(kuò)孔與鉸孔的相關(guān)工藝參數(shù)可參考表3。

表3 其他工藝參數(shù)表

2)由于碳纖維復(fù)材的硬度高，在加工過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)刀具磨損的現(xiàn)象，因此在加工過(guò)程中，應(yīng)勤檢查刀具磨損情況，特別是最后的鉸孔階段，直接關(guān)系孔的精度，根據(jù)表4對(duì)磨損的鉸刀進(jìn)行刃磨，以保證孔的質(zhì)量。

表4 鉸刀刃磨幾何參數(shù)推薦表

3)在碳纖維復(fù)合材料試驗(yàn)件(含疊層試驗(yàn)件)上鉆孔時(shí)，應(yīng)在出口面加墊板支承，同時(shí)消除夾層間隙；

盡量將鉆孔出口面作為锪窩面，墊板可采用硬鋁板或硬塑料板等具備一定剛度的材料。

4)制孔表面應(yīng)無(wú)過(guò)熱跡象。當(dāng)復(fù)合材料孔口表面有變色環(huán)(棕黑色)或有樹(shù)脂燒焦的刺激性氣味時(shí)，表明表面已過(guò)熱。

5)對(duì)于疊層材料的制孔，應(yīng)盡量采用啄鉆的方式加工，對(duì)加工至不同材料界面時(shí)，盡量放低鉆速或更換相匹配的其他額定工具的風(fēng)鉆。

6)為保證锪窩的效率與質(zhì)量，锪窩應(yīng)在消除夾層間隙及安裝垂直限窩器且以刀具旋轉(zhuǎn)切入方式進(jìn)行锪窩的前提下，以提高锪窩的合格率(見(jiàn)圖4)。

圖4 碳纖維復(fù)材锪窩示意圖

7)碳纖維復(fù)材切割、打磨應(yīng)采用專(zhuān)用的切割機(jī)及打磨工具，選擇較高的轉(zhuǎn)速(≥10 000 r/min)進(jìn)行，修邊的質(zhì)量能滿(mǎn)足復(fù)材裝配對(duì)縫的要求(見(jiàn)圖5)。

圖5 碳纖維復(fù)材切割示意圖

8)針對(duì)碳纖維復(fù)材緊固件的機(jī)械連接存在電位腐蝕的現(xiàn)象，應(yīng)優(yōu)先選用高比強(qiáng)度、低電位差、耐熱且抗蝕性高的鈦合金或不銹鋼材料的緊固件進(jìn)行緊固連接。

9)碳纖維復(fù)合材料的定位與夾緊，應(yīng)盡量采用鈦合金或不銹鋼材料的緊固件或工藝緊固件，禁止采用鍍鎘緊固件或鍍鎘工藝緊固件。制孔過(guò)程中，應(yīng)經(jīng)常用毛刷或蘸三氯乙烷的抹布擦拭鉆頭、擴(kuò)孔鉆及鉸刀，以去除刀具上積聚的切屑。

3.2 工藝改進(jìn)試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)常規(guī)工藝試驗(yàn)后，獲取一些關(guān)于碳纖維復(fù)合材料加工的初步經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，陜飛公司的項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)集思廣益，群策群力，開(kāi)展又一輪的討論，決定在常規(guī)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)用的設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行改進(jìn)。

首先，將刀具由硬質(zhì)合金的鉆、鉸刀改進(jìn)成特殊結(jié)構(gòu)的鉆鉸一體式刀具(匕首鉆)及鉆锪一體式刀具。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好。發(fā)現(xiàn)在不加工藝墊板的前提下，仍能夠加工出高質(zhì)量無(wú)缺陷的孔。匕首鉆及制合格孔的示意圖如圖6所示。

圖6 匕首鉆制孔及合格孔外觀示意圖

其次，針對(duì)疊層材料不同，對(duì)不同鉆速應(yīng)區(qū)分制造(更換不同額定轉(zhuǎn)速風(fēng)鉆)的難題，再結(jié)合復(fù)合材料加工時(shí)粉塵較大、需采用吸塵器除塵的特點(diǎn)，最終將選用鉆吸一體式變速風(fēng)鉆(見(jiàn)圖7)。預(yù)計(jì)改進(jìn)效果良好，不但能解決加工不同疊層材料頻繁變更工具的難題，還能將制孔的效率提升20%。

圖7 變速氣鉆及鉆吸一體式氣鉆示意圖

3.3 存在的問(wèn)題

上述工藝試驗(yàn)均采用目視檢查為主的方式檢查孔的表面質(zhì)量，結(jié)論以部件廠的檢驗(yàn)記錄為主。結(jié)果顯示，除前期摸索出現(xiàn)的故障孔以外，其余均為合格孔。由于無(wú)針對(duì)復(fù)材內(nèi)部(無(wú)損檢測(cè))的檢測(cè)設(shè)備及缺陷對(duì)比試塊，且理化試驗(yàn)室亦不具備復(fù)材內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)的能力，因此碳纖維復(fù)材制孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷檢查未能開(kāi)展。

由于部件廠鉆孔手段以風(fēng)鉆為主，功率較小，無(wú)法鉆制鈦合金(TC4、TC18)等硬度較高的材料試驗(yàn)件(適合采用機(jī)鉸，且亦未鉆制初孔進(jìn)行擴(kuò)、鉸孔)，故復(fù)材與鋼件的疊層試驗(yàn)亦未開(kāi)展。此外，由于缺乏相應(yīng)的定位夾持裝置，加上受復(fù)材板料供給等因素的影響，自動(dòng)進(jìn)給鉆制孔試驗(yàn)亦未開(kāi)展。最后由于未采購(gòu)金剛石套料鉆工具，復(fù)材大直徑孔(孔徑>12 mm)的加工試驗(yàn)也未能開(kāi)展。

4 結(jié)語(yǔ)

以碳纖維復(fù)合材料為代表的新型航空材料在飛機(jī)上的不斷應(yīng)用是未來(lái)航空業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著未來(lái)復(fù)材大面積的應(yīng)用，復(fù)材的裝配是不可或缺的環(huán)節(jié)，本試驗(yàn)就是基于復(fù)材裝配的探索性工藝試驗(yàn)，具有重要的指導(dǎo)意義。但受復(fù)材制造條件的限制，僅完成制孔與修邊技術(shù)方面的研究工作。針對(duì)陜飛公司在碳纖維復(fù)合材料方面起步低、技術(shù)儲(chǔ)備少等問(wèn)題，筆者結(jié)合技術(shù)需求，建議今后的研究方向應(yīng)向復(fù)材結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)、復(fù)材結(jié)構(gòu)件的快速修復(fù)、復(fù)材結(jié)構(gòu)件的精準(zhǔn)裝配領(lǐng)域進(jìn)行探索。