对树脂基碳纤维复合材料制孔缺陷以及钻削工艺的探究
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摘 要：树脂基碳纤维复合材料的耐腐蚀性、抗疲劳性以及电磁波穿透能力的性能非常优良，目前在军事和民事等领域的应用日益广泛，特别是在航空航天方面。但是因为树脂基碳纤维的物理结构与化学比较独特，在制孔以及钻削的过程中往往有几何缺陷存在，这就使材料加工质量大打折扣。本文分析了树脂基碳纤维树脂基碳纤维复合材料在制孔和钻削上存在的缺陷，提出了解决问题的办法，以供参考。
关键词：树脂基；碳纤维；复合材料；缺陷；钻削
1 引言
新世纪以来，如飞机、航空航天以及化学工业加工设备等行业都需要高性能、轻质结构的材料，这就使树脂基碳纤维复合材料发展迅速。现阶段，大型民用或军用飞机机体材料正逐步以符合材料取代以往的铝合金为机身的主要材料，这也为树脂基碳纤维复合材料的发展提供了契机。一般来说，机械钻削是对各种复合材料零件加工的最后一道工序。但因为目前钻削的效率较低，所以在对这种复合材料加工的过程相对困难，合板是公认的难加工材料。所以对树脂基碳纤维复合材料切削工艺进行改进是迫切需要的。
因为复合材料在进行制孔的过程中会出现损伤，比如说分层以及纤维拔出等情况，这就会使复合材料的抗疲劳强度大打折扣，降低其使用寿命，降低整体产品的质量，因此本文论述了了树脂基碳纤维复合材料制孔缺陷、并对钻削工艺的改良进行探究以供参。
2 树脂基碳纤维树脂基碳纤维复合材料在制孔和钻削上存在的缺陷分析
制孔是树脂基碳纤维复合材料零件进行装配与连接中必重要的加工环节。现阶段对复合材料构件进行制孔的主要工艺有切削加工技术以及特种加工技术两种。特种加工技术又可以细分电火花加工、超声打孔以及激光打孔等技术。在特种加工的过程中运用非机械能可以减少被加工材料的剩余的数量，在整个加工的过程中，材料的受力很小，几乎不会有机械加工变形发生，这种技术主要在小孔、异形孔以及微孔加工时应用。由于飞行器等零件的尺寸相對较大的，目前的特种加工设备无法达到飞行器装配连接钻孔的相关要求，在对复合材料材料进行圆孔加工的过程中最常用的就是钻削加工，所以，在飞机上钻孔加工主要采用钻削加工。就以往的钻削金属制孔方法来看，目前还存在着许多的问题。
2.1 制孔的精度不合格
在对复合材料进行制孔的过程中，经常会出现孔的位置精度不合格、孔尺寸精度较差以及圆度不够规则等较为常见的问题。
除了上述问题之外，还存在着碳纤维孔内壁周围的部分有分层出现，以及钻孔孔口处出存在纤维撕裂或者是劈裂，这是树脂基碳纤维复合材料在制孔的过程中特有缺陷，同时也导致复合材料在制作零件连接和装配时产生报废的一个重要原因。 除此之外，因为在手工钻孔时，对进给量进行控制非常困难，复合材料也会常常出现劈裂、分层等情况，在快要钻透时也会出现孔的垂直度不好等现象。
2.2 刀具磨损严重
从材料的硬度方面来看，因为常温下树脂基碳纤维复合材料和高速钢钻头的硬度非常接近，借助高速工具钢或者是碳素工具钢对树脂基碳纤维复合材料进行加工可能出现刀具磨损严重的情况发生，由于的钻头磨损，需要频繁的进行更换，这样干扰正常的加工作业，使零件的钻削成本增加。因此在对复合材料进钻孔和切削的过程中，需要认真对复合材料的硬度、韧性等特性进行考虑，严格控制进刀量、润滑液以及钻削的速度等工艺参数，避免出现树脂基碳纤维材料背面纤维崩断等情况发生。
3 树脂基碳纤维复合材料在制孔和钻削上存在的缺陷的原因分析
对刀具磨损严重、制孔的精度不合格等缺陷进行分析，造成这种现象的原因主要有以下两个方面，第一，由于树脂基碳纤维复合材料的特性就导致零件在加工的过程中难度大大增加，因为复合材料的组成部分（树脂基体、碳纤维）两者结合力相对较差，在承受冲击和非纤维轴向负荷的能力相对较差，导致压缩强度较低，在钻头轴向进给力太大的时，制造的零件非常容易出现中间分层、孔口劈裂、复合材料叠合处起毛或以及撕裂等问题出现；另一方面，传统的制孔工艺存在许多的不足之处，因为钻削轴向力所导致的张开型裂纹被破坏，是钻孔出口的附近以及孔壁周围的材料出现分层的主要原因。所以，综合树脂基碳纤维复合材料的相关特性，不断对复合材料制孔以及钻削工艺的相关参数进行调整改善，逐步解决在复合材料制孔加工时出现的上述问题，提升制件的整体质量具有非常重要意义。
4 复合材料在制孔和钻削上存在的缺陷的原因分析
4.1 对制孔和钻削的工艺进行调整
因为在制孔和钻削的过程中，钻头的轴向进给力是导致制件存在缺陷的非常重要的原因之一，在进行加工时，对相关钻头的几何参数和钻削工艺参数不断进行调整，这样可以控制钻头轴向进给力在合理的范围之内，杜绝出现因为钻头的轴向进给力太大而使制件出现缺陷的情况。经过实践证明，在钻削和制孔的过程中调整了参数之后，钻出连接孔的质量会得到大大提高。就以Y330材质、θ3～θ8mm的整体式的麻花钻头、铰刀钻为例，这种类型的钻头的顶角（2φ）是100～120°，钻芯的厚度是0.9～1.3mm，其螺旋角为25～30°。将其运用到实际的制孔和钻削中去，因为后角能够对钻削性能造成显而易见的影响，保持其角度为15～25°；在对钻头形状的改进方面，使用双刃扁钻等钻透，可以使制件的质量显著提高。
4.2 改善制孔的工艺
在进行复合材料制孔时，要按照实际的加工需求去选择适当的制孔工艺，这样可以保障制孔的质量、杜绝制件缺陷发生的有效途径。在进行钻削的过程中，整体式的麻花钻钻孔通常用于8mm之下的树脂基碳纤维复合材料，为可使制孔的质量良好，就需要同时对碳纤维复合材料的上、下表面加工处理，还可以在钻孔出口面增加垫板（比如夹层胶木板等），要控制钻透的转在2000r/min左右，还要使用低进给量，约为0.04mm/r，这样可以在一定程度上避免分层和劈裂现象的出现。对于孔径超过8毫米的钻孔，可用镗对制件进行制孔，或者先使用硬质合金钻头来钻小孔，然后再使用电镀金刚石套料钻钻大孔的方法，这样就能够使钻孔时的切削力大幅度降低。
除上述之外，在进行铰孔工艺的过程中，在钻孔之前就要预留铰孔的余量，而后借助硬质合金短铰刀在低转速的情况下进行铰孔；在进行锪窝的过程中，要把钻孔出口面置于锪窝面，保证硬质合金锪窝钻在较低转速时进行钻孔，还可以采用人造金刚石锪窝钻高转钻孔。在实际操作时，锪窝钻应要在旋转之后才能接触工件，这样可以防止树脂基碳纤维复合材料表面纤维出现劈裂。
4.3 刀具的改进
以往钻削方法使刀具出现严重磨损严重，针对这对情况，可以根据复合材料的特性以及实际加工的情况，对制孔和钻削使用的刀具进行调整，首先就是要使用硬度更高的刀具，这样能够在保障制件加工质量的前提下，减少刀具的磨损，避免频繁换刀。对国内外的树脂基碳纤维复合材料制孔和切削的经验进行总结，可以发现钨—钴硬质合金的硬度能够到达18000MPa之上，再加上这一类合金的韧性和弯曲强度较好，在使用过程中可以降低钻削过程发生崩刃的现象，除此之外还可以选择人造金刚石刀头。根据实际的制孔和钻削需求，对刀具进行选择，可以很好的控制制件的质量。
5 小结
目前树脂基碳纤维复合材料的制孔和钻削工艺还没有形成成熟的理论与方法，对这种复合材料刀具磨损以及制孔缺陷还需要不断进行深入的研究。但是在这种复合材料制孔和钻削时，通过对制孔和钻削的工艺进行调整、改善制孔的工艺以及刀具进行改进等方法，可以复合材料制件制孔质量得到进一步提高。
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