碳纤维复合材料制孔分层缺陷的研究

郭 琼 李庆飞

（中国商飞上海飞机设计研究院结构设计研究部，中国 上海201210）

0 引言

碳纤维增强复合材料(CFRP)作为一种先进材料，具有重量轻、比强度大、耐腐蚀、耐疲劳等一系列优点，在航空航天、汽车等领域广泛应用。在CFRP的钻削过程中，其已加工孔除有传统金属材料的制孔缺陷(如孔的尺寸、位置误差)外，由于CFRP是由质软而粘性大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相或多相结构，其力学性能呈各向异性，层间强度低，切削时在切削力的作用下容易产生一些复合材料所特有的损伤缺陷。制孔缺陷区域主要存在于孔的入口、中间层和出口处，主要包括孔出口撕裂和毛刺、制孔分层损伤、孔壁微裂纹、凹陷和纤维拔出等[1]。据统计，在航空制造领域，飞机组装时钻孔不合格率占全部复合材料构件报废率的60%以上[2]，因而成为国内外学者研究的重点。

1 分层缺陷形成机理

在CFRP的制孔加工中，分层损伤是钻削加工中的最重要的一类缺陷，是影响孔的连接装配性能的重要因素，一旦产生则不可修复，对复合材料的强度和寿命有着致命的影响。分层是指由层间应力或制造缺陷等引起的复合材料铺层之间的脱胶破坏现象。制孔工艺中的分层主要是由加工过程中轴向力作用而引起的孔壁周围材料发生的层间分离现象。从钻削机理的角度来分析，钻头在钻削CFRP时主要产生两个作用力，即轴向力和扭矩。其中，轴向力产生垂直应力，引起I型撕裂破坏；扭矩会产生面外剪切应力，引起III型裂纹破坏；钻孔分层和撕裂主要是由于这两种类型裂纹破坏作用的结果，而钻孔偏斜则会产生II型裂纹，如图1所示[3]。

图1 CFRP复合材料的钻削裂纹形式

CFRP的钻削分层机理可以表示为：

式(1)中L为钻削制孔总分层，LF为轴向力引起的分层，LM为扭矩引起的分层。

在整个钻孔过程中，分层主要进过孔的入口侧、中间部和出口侧，其各部分分层机理如图2所示。

钻头主切削刃在开始切削碳纤维时，碳纤维受推力而与钻头前部未切削部分间产生一面外剪切应力，引起III型裂纹破坏；钻头前端对未切削部分会产生一个轴向向下的推力，但由于未切削部分相对已切削部分来讲厚度还较大，承载能力较强，故轴向力引起的未切削部分与已切削部分间的垂直应力会很小，所以入口侧主要以III型裂纹破坏为主。

当钻头钻至层合板中间部分时，已钻削部分己较厚，抗扭能力已较强，III型裂纹破坏消失，而这时I型裂纹破坏作用还不强，故层合板中间部分几乎无分层产生。

钻头在钻至出口侧时，由于钻头前端未切削层厚度已很薄，在钻削轴向力的作用下，势必会产生较大的变形，从而引起未切削部分与已切削部分间的较大垂直应力，造成I型裂纹破坏；而这时虽扭矩也存在，但由于已切削部分已很厚，故III型裂纹所引起的破坏较小。故出口侧分层主要由I型裂纹的破坏所引起。

图2 钻孔时各部分分层机理示意图

图3 分层评定示意图

目前国际上有关CFRP钻削分层的评价指标主要有三种：一维分层系数，二维分层系数和修正分层系数。其中一维分层系数(Fd)评价标准因简单易测量的优点应用最广泛。图3所示为分层评定示意图。本文主要以一维分层系数(Fd)来衡量钻孔时的分层程度：

式（2）中，Dmax代表最大分层直径，Dnom代表名义钻孔直径[4]。

2 分层缺陷的试验研究

本节将重点研究钻削参数对CFRP制孔缺陷的影响规律。相关研究[2]已表明主轴转速（n）和进给率（f）是影响制孔缺陷的关键因素，并且进给率的影响要远大于主轴转速的影响。因而，在试验参数设计时，将主轴转速的范围设置较大，而进给率的变化范围设置较小，以全面反映主轴转速和进给率对制孔缺陷的影响。将n的水平设置为：6000、8000和10000rpm；f的水平设置为：0.01、0.02和0.03mm/rev。试验过程中，制孔入口分层区很小，与出口分层区相比几乎可以忽略不计，故仅考虑出口处的分层。采取单因素试验方法进行试验，以一维分层系数(Fd)作为评价指标，图4至图7所示分别为CVD涂层匕首钻、无涂层匕首钻、CVD涂层麻花钻和无涂层麻花钻制孔时进给率（f）与分层系数(Fd)之间的关系图。

图4 CVD涂层匕首钻f与Fd的关系

图5 无涂层匕首钻f与Fd的关系

由图4和图5可见，对于匕首钻和麻花钻而言，进给率越大，分层系数越大，这是因为出口分层主要是由钻削轴向力所引起，进给率的增大将会导致轴向力的增大，进而加剧材料的分层损伤。相反，主轴转速的提高则有利于分层系数的减小，其原因主要是主轴转速的增加降低了钻削轴向力，从而降低了CFRP的制孔分层损伤。比较图6与图7，CVD涂层麻花钻在钻削过程中由于主切削刃处有金刚石涂层的良好减磨与抗磨作用，故在相同钻削参数下，分层系数要略小于无涂层麻花钻，具有更优异的制孔性能。

图6 CVD涂层麻花钻f与Fd的关系

图7 无涂层麻花钻f与Fd的关系

图8 试验钻头轴向力(Fa)与分层系数(Fd)的关系图

图8所示为4把钻头钻削CFRP时轴向力(Fa)与分层系数(Fd)之间的关系曲线。由图8可见，轴向力(Fa)对分层系数(Fd)有正效应，随着Fa的增大Fd呈急剧上升趋势。在相同的Fa作用下，CVD涂层麻花钻的Fd最大，匕首钻的Fd要小于麻花钻的Fd。至于CVD涂层钻头的Fd大于无涂层刀具，其原因在于虽然CVD涂层钻头改善了刀具的摩擦学特性，使得切削刃比较耐磨，但对于相同规格的钻头，涂层后会使得刀具刃口钝化，使得切削刃变得不锋利，故在相同Fa作用的情况下比无涂层钻头更容易分层，致使所获Fd较大。

综合来看，在相同钻削轴向力作用下，从出口分层系数的角度来分析，4把钻头的制孔性能优劣排序如下：无涂层匕首钻ffgt;CVD涂层匕首钻ffgt;无涂层麻花钻ffgt;CVD涂层麻花钻。

3 结论

本文通过钻削试验研究了不同钻头在钻削高强度型T800/X850 CFRP时，制孔分层缺陷的形成机理，探讨了钻削参数对钻削分层损伤的影响规律。试验钻头在钻削T800/X850 CFRP时，随着进给率的增大，制孔出口分层系数均呈急剧增大趋势；相反，主轴转速的增大则有利于分层系数的减小。从降低分层损伤的角度考虑，在钻削高强型T800/X850 CFRP时应该选择高转速、低进给的钻削参数来进行切削加工。在相同的轴向力作用下，无涂层匕首钻能够获得更小的分层系数，表现出更优异的切削性能。

［1］郝元凯,肖加余.高性能复合材料学[M].化学工业出版社，2003.

［2］孟宪超.碳纤维复合材料钻孔加工工艺研究[D].大连理工大学,2005.

［3］花岐伸作,野村昌孝.FEM方法对CFRP的切削机构的解析[C]//日本机械学会论文集（C编）,1995,61卷583号（3）：1163-1168.

［4］张厚江.碳纤维复合材料(CFRP)钻削加工技术的研究[D].北京航空航天大学,1998.