改變碳纖維復(fù)合材料手工鉆孔缺陷

摘要：針對(duì)手工鉆孔加工碳纖維復(fù)合材料在接近鉆出時(shí)進(jìn)給量不易控制的問題，使孔出口撕裂缺陷更嚴(yán)重，對(duì)手工鉆孔加工進(jìn)行工藝方法改進(jìn)，通過采用在鉆頭上固定定位套和硅橡膠墊相結(jié)合的方法，利用彈性材料的彈性反力來(lái)減少鉆出時(shí)的進(jìn)給力，控制手動(dòng)加工時(shí)鉆頭伸出長(zhǎng)度和接近鉆通時(shí)減少進(jìn)給量，可改善碳纖維復(fù)合材料手工鉆孔加工質(zhì)量。1.問題提出碳纖維復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)材料、以樹脂為基體在一定條件下固化成的一種復(fù)合材料，具有比強(qiáng)度、比剛度高，質(zhì)量輕、耐高溫等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天業(yè)及其他行業(yè)。形狀復(fù)雜的碳纖維復(fù)合材料制件成型后，需要進(jìn)行大量的機(jī)械加工，特別是需要鉆孔加工后滿足與其他結(jié)構(gòu)的聯(lián)接。由于碳纖維復(fù)合材料具有硬度高、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性差、各向異性及層間強(qiáng)度低等特性，屬于難加工材料，在碳纖維復(fù)合材料上進(jìn)行孔加工時(shí)，極易出現(xiàn)孔表面質(zhì)量差、分層及撕裂等缺陷，現(xiàn)在對(duì)在碳纖維復(fù)合材料上的鉆孔技術(shù)已經(jīng)有一些有益的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論，但大多都適用于使用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行鉆孔的工藝方法，由于制件的外形結(jié)構(gòu)特征等，使得很多孔無(wú)法使用數(shù)控設(shè)備或鉆床加工，如大型碳纖維復(fù)合材料殼體和需要協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)特征確定孔位的零件，必須由鉗工手工鉆孔加工，但是在手工鉆孔時(shí)，加工狀態(tài)非常不穩(wěn)定，存在許多的不確定因素和人為影響，造成手工鉆孔質(zhì)量不穩(wěn)定，制件的孔壁周圍材料缺陷比設(shè)備加工時(shí)嚴(yán)重，特別是孔出口撕裂更嚴(yán)重。大型碳纖維復(fù)合材料零件制造成本極高，通?？椎募庸?shù)量又較多，鉆孔時(shí)的任何質(zhì)量問題都會(huì)形成產(chǎn)品的缺陷，直接影響到零件的裝配質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致零件報(bào)廢，造成巨大損失。2.碳纖維復(fù)合材料手工鉆孔技術(shù)難點(diǎn)分析由于碳纖維鋪層各角度產(chǎn)生各向異性，層間強(qiáng)度低，同時(shí)碳纖維復(fù)合材料硬度高、性能脆、強(qiáng)度高及導(dǎo)熱能力差，導(dǎo)致鉆孔時(shí)鉆頭磨損嚴(yán)重，產(chǎn)生的切削轉(zhuǎn)矩和切削熱大，零件材料在切削力的作用下易發(fā)生孔壁周圍材料分層、孔出口撕裂等現(xiàn)象。分析碳纖維復(fù)合材料的特性，孔壁周圍材料分層主要是鉆孔過程軸向力作用引起的，軸向力越大，缺陷越嚴(yán)重，而軸向力的大小又受鉆孔過程中的進(jìn)給量、鉆削速度、鉆頭直徑及切削刃幾何參數(shù)等因素相關(guān)。在鉆頭直徑、切削刃幾何參數(shù)一定的情況下，鉆頭鉆速和進(jìn)給速度將是影響軸向力大小的主要因素，軸向力隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨著進(jìn)給量的增加而增大，而且進(jìn)給量的影響遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)速的影響，所以進(jìn)給量是控制軸向力的一個(gè)關(guān)鍵因素?？壮隹谒毫讯喟l(fā)生在孔出口的一側(cè)最表面層，在鉆孔加工中最常見的缺陷是由于鉆孔接近鉆出時(shí)，軸向力的下降速率小于材料強(qiáng)度的下降速率，造成切削材料未進(jìn)入切削層即造成破壞，產(chǎn)生撕裂，所以在鉆孔接近鉆出時(shí)需要減小進(jìn)給量，這樣使鉆削力小于缺陷產(chǎn)生的臨界切削力，減少孔出口撕裂現(xiàn)象，同時(shí)由于鉆刃鋒利度不夠，復(fù)合材料纖維不是被完全切斷就已鉆通，造成孔出口撕裂、毛邊。因此，碳纖維復(fù)合材料孔加工，特別是接近鉆通時(shí)，應(yīng)選擇較小的進(jìn)給量。在碳纖維復(fù)合材料制件手工鉆孔時(shí)，手持風(fēng)鉆、鉆頭加工狀態(tài)非常不穩(wěn)定，鉆頭的中心位置、垂直度等會(huì)發(fā)生誤差和變化，操作者的工作經(jīng)驗(yàn)直接影響孔的加工質(zhì)量，手工鉆孔過程中進(jìn)給量不易控制，這是造成手工鉆孔質(zhì)量不穩(wěn)定的主要因素，特別是孔接近鉆出時(shí)由于被切削材料突然減少，瞬間材料本身的鉆削反力突然大幅度減少，造成進(jìn)給量會(huì)突然加大，出現(xiàn)鉆頭沖擊性鉆透現(xiàn)象，導(dǎo)致孔出口撕裂更嚴(yán)重。為解決碳纖維復(fù)合材料手工鉆孔加工中的難點(diǎn)，提高手工鉆孔加工的穩(wěn)定性，控制手工鉆孔的進(jìn)給量，需要通過必要的技術(shù)改進(jìn)，改善碳纖維復(fù)合材料手工鉆孔加工質(zhì)量。3.常用的解決方法針對(duì)碳纖維復(fù)合材料手工鉆孔的特性，常用的解決方法有：（1）刀具材料、鉆頭幾何參數(shù)的選擇，通常是使用硬質(zhì)合金鉆頭和金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭，以提高鉆頭壽命，保持鉆頭鋒利度，降低鉆孔時(shí)軸向力。（2）鉆頭鉆速、進(jìn)給速度的選擇，應(yīng)選擇鉆速較高、穩(wěn)定性較好的工具，較小的進(jìn)給速度，降低鉆孔時(shí)軸向力。（3）采用構(gòu)件加強(qiáng)支撐工藝方法，可改善鉆出條件，增加鉆孔過程中的穩(wěn)定性。但是在加工中經(jīng)常會(huì)遇到由于制件的特殊結(jié)構(gòu)，比如加工部位狹小、異形，大型零件、孔加工數(shù)量大，使得孔出口不易或無(wú)法采用構(gòu)件加強(qiáng)支撐方法，就需要另外采取改進(jìn)措施，控制手工鉆孔接近鉆出時(shí)的進(jìn)給量，提高穩(wěn)定性。4.加工工藝改進(jìn)針對(duì)碳纖維復(fù)合材料零件手工鉆孔接近鉆出時(shí)進(jìn)給量不易控制的問題，想到可以利用彈性材料的彈性反力來(lái)減少鉆出時(shí)的進(jìn)給力，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，對(duì)手工鉆孔加工進(jìn)行工藝改進(jìn)，通過采用在鉆頭上固定定位套和硅橡膠墊相結(jié)合的方法，控制手動(dòng)加工時(shí)鉆頭伸出長(zhǎng)度和接近鉆通時(shí)減少進(jìn)給量，改善碳纖維復(fù)合材料手工鉆孔加工質(zhì)量，避免在鉆通時(shí)鉆頭的沖擊性鉆透現(xiàn)象，提高了手工鉆孔時(shí)的安全性。圖1所示為加工改進(jìn)示意圖。1號(hào)件為定位套，通過螺釘將定位套與鉆頭聯(lián)接固定，起到調(diào)節(jié)定位鉆頭伸出長(zhǎng)度的作用。2號(hào)件為彈性硅橡膠墊，乳白色混煉膠材料。固定定位套和彈性硅橡膠墊相結(jié)合使用，通過調(diào)節(jié)定位套的位置，在鉆尖接近鉆出時(shí)彈性墊與零件表面接觸，鉆尖即將鉆通材料，然后利用彈性墊在手動(dòng)力下壓縮產(chǎn)生的彈性反力減少進(jìn)給力，從而逐漸減少進(jìn)給量，隨著在彈性反力逐漸加大時(shí)鉆頭鉆通材料，從而有效控制鉆頭鉆出時(shí)的進(jìn)給量，避免被切削材料突然減少，進(jìn)給量突然加大的現(xiàn)象，減少孔出口撕裂缺陷，同時(shí)橡膠墊材料能夠避免手工鉆孔時(shí)夾頭部分接觸材料表面而使材料表面損傷。（1）彈性墊材料的選擇。要求彈性墊材料有較好的撕裂強(qiáng)度、耐磨性，硬度、彈性適中。經(jīng)過試驗(yàn)比較，選用硅橡膠材料比較合適。硅橡膠混煉膠是特殊的有機(jī)硅生膠和高純度的二氧化硅為主要成分的混煉膠，其物理和化學(xué)特性優(yōu)于多種有機(jī)彈性體，具有在廣泛的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定、低壓縮永久變形性，較高的使用壽命，是制造密封、減振應(yīng)用的理想材料。（2）彈性墊厚度的確定。彈性墊厚度決定了彈性墊的壓縮量的大小，受壓彈性量決定了手動(dòng)鉆孔時(shí)減少手動(dòng)進(jìn)給力的大小。彈性墊材料的厚度選擇取決于手工鉆孔加工碳纖維材料復(fù)合材料時(shí)軸向力、加工孔徑和彈性墊直徑的大小。碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工較適合的軸向力需要控制在30～50N的范圍，孔分層、撕裂等缺陷較少。加工不同直徑孔選擇硅橡膠墊的厚度不一樣，孔徑越大，則軸向力、鉆尖高度越大，彈性墊的壓縮量也需要加大，要選擇厚度較大的彈性墊。當(dāng)加工孔徑一定時(shí)，彈性墊直徑越大，由于接觸面積加大，彈性墊的壓縮量會(huì)減小，彈性墊的厚度也應(yīng)加大。以手工鉆孔使用風(fēng)鉆轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)，在50N軸向力下，加工孔徑為3mm，定位套、彈性墊直徑為8mm時(shí)為例，選擇彈性墊的厚度。圖2所示為測(cè)量得出的不同厚度的直徑為8mm硅橡膠板，在50N軸向力下的平均壓縮變形量曲線。孔徑為3mm，鉆頭頂角為90°，則鉆尖深度為1.5mm，由平均壓縮變形量曲線圖所示，厚度8mm的硅橡膠墊在50N軸向力下φ

8mm定位套壓縮后變形約1.5mm，所以選取厚度為8mm的彈性墊。在手工鉆孔加工開始時(shí)控制軸向力，當(dāng)彈性墊與材料表面接觸時(shí)，鉆尖即將鉆通材料后表面，瞬間材料本身的鉆削反力會(huì)突然大幅度減少，這時(shí)彈性墊的彈性反力會(huì)有效地降低手動(dòng)進(jìn)給力，當(dāng)鉆頭整個(gè)即將鉆通時(shí)，鉆頭進(jìn)給了1.5mm，彈性墊被壓縮了1.5mm，彈性墊產(chǎn)生的彈性反力與手動(dòng)進(jìn)給力接近平衡，可有效地避免在鉆通時(shí)鉆頭的沖擊性鉆透現(xiàn)象，從而改善手動(dòng)加工碳纖維材料復(fù)合材料的孔加工質(zhì)量。手工鉆孔加工工藝改進(jìn)前后孔出口狀態(tài)對(duì)比如圖3所示。從手工鉆孔加工工藝改進(jìn)前后孔出口狀態(tài)對(duì)比圖可以看出，手工鉆孔工藝改進(jìn)前孔出口的撕裂缺陷嚴(yán)重，撕裂長(zhǎng)度為孔徑的5倍，改進(jìn)后孔出口僅有輕微的毛邊，孔加工質(zhì)量得