碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是以碳纖維為增強(qiáng)材料、樹脂為基體的復(fù)合材料，因其具有比強(qiáng)度和比剛度高、抗疲勞性能好、耐溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，并已迅速發(fā)展成為繼鋁、鋼、鈦之后的四大航空航天結(jié)構(gòu)材料之一。

       鉆孔是碳纖維復(fù)合材料制件裝配加工工藝中一個極為重要的工序。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、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，極易出現(xiàn)材料燒傷、孔表面質(zhì)量差、分層、撕裂等缺陷，從而導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料制件報廢。目前，國內(nèi)外對在碳纖維復(fù)合材料上的鉆孔技術(shù)已經(jīng)開展了許多試驗性研究，也得出了一些有益的經(jīng)驗和結(jié)論，但這些經(jīng)驗和結(jié)論通常都只適用于使用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行鉆孔的工藝方法。對于制造企業(yè)而言，在碳纖維復(fù)合材料上使用先進(jìn)的自動化設(shè)備進(jìn)行鉆孔操作，無疑會帶來巨大的成本投入，因此較多企業(yè)仍然選擇了成本較低、技術(shù)經(jīng)驗相對成熟的手工鉆孔方式。由于手工鉆孔在刀具穩(wěn)定性、進(jìn)給速度穩(wěn)定性等方面控制性較差，因此手工在碳纖維復(fù)合材料上制孔時更容易產(chǎn)生各種孔加工缺陷。這已成為使用復(fù)合材料制件按傳統(tǒng)工藝方法進(jìn)行裝配的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。

碳纖維復(fù)合材料手工鉆孔的常見問題

       碳纖維復(fù)合材料性能脆，強(qiáng)度高，碳纖維硬度高，導(dǎo)熱能力差（導(dǎo)熱系數(shù)僅為奧氏體不銹鋼的1/5~1/10），各向異性，層間強(qiáng)度低，切削時在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，手工鉆孔時尤其嚴(yán)重，加工質(zhì)量難以保證。在碳纖維復(fù)合材料上制孔主要存在以下問題。

     （1）碳纖維硬度高，其硬度高達(dá)HRC53~65 相當(dāng)于高速鋼的硬度（HRC62~65），因此鉆孔過程中的鉆頭磨損很快。

     （2）熱導(dǎo)率小，鉆孔時局部熱量集中較大，容易產(chǎn)生材料燒傷缺陷。

     （3）鉆孔時的切屑為粉塵狀，污染環(huán)境，危害人體健康。同時，碳纖維切屑的導(dǎo)電性易使電氣設(shè)備和電網(wǎng)發(fā)生短路。

     （4）層間強(qiáng)度低，在鉆孔過程中易產(chǎn)生分層缺陷。

     （5）屬于各向異性材料，鉆孔處的應(yīng)力集中較大，極易引起撕裂、毛邊等缺陷。

問題分析和解決方案

1 鉆頭磨損問題

      由于碳纖維材料的硬度與高速鋼的硬度相當(dāng)，因此不宜使用高速鋼材料的刀具，可選用高硬度刀具材料（包括硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石等）進(jìn)行加工。對比說明：使用鉆速為6000r/min 的手槍鉆，在厚度為7mm 的碳纖維復(fù)合材料上手工鉆制φ 4.85mm 的孔時，高速鋼鉆頭在鉆制3~4 個孔后出現(xiàn)進(jìn)給困難現(xiàn)象，硬質(zhì)合金鉆頭可以鉆制50~70 個孔，帶有金剛石鍍層（PCD 鍍層）的硬質(zhì)合金鉆頭可以鉆制100~120 個孔。

2 材料燒傷問題

       一方面是由于刀具鋒利度不夠，造成手工鉆孔時進(jìn)給緩慢，延長了鉆削時間和刀具與材料之間的摩擦?xí)r間，從而產(chǎn)生了較多的熱量，使材料局部位置和刀具的溫度急劇上升，造成材料燒傷。因此應(yīng)選用較鋒利的刀具進(jìn)行鉆孔，以縮短摩擦?xí)r間減少熱量。麻花型鉆頭由于在鉆尖處橫刃的存在，使得此處的切削情況極為惡劣，實(shí)際上橫刃不產(chǎn)生切削作用，只是滾卷和粉碎纖維，不僅是軸向力的主要來源[2]，同時也是鉆孔過程中熱量的主要產(chǎn)生部位。因此如選用鉆型麻花鉆頭進(jìn)行鉆孔，適當(dāng)減小麻花鉆頭的橫刃大小，是增加刀具鋒利度，改善鉆孔質(zhì)量的良好方法。美國HP 刀具公司生產(chǎn)的一種直刃鉆鉸復(fù)合鉆（也叫匕首鉆），由于其螺旋角為90°，在鉆尖處沒有橫刃存在，刀具與材料接觸面積小，因此鉆孔過程中所產(chǎn)生的熱量少，能夠有效避免材料燒傷現(xiàn)象。但這種刀具由于其排屑槽為直槽，不能有效排出金屬切屑，因此僅適用于純復(fù)合材料夾層上的鉆孔，并不適合于復(fù)合材料與金屬材料夾層。

       另一方面由于碳纖維材料本身熱傳導(dǎo)性差，鉆孔過程中所產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)而造成局部溫度上升燒傷材料，因此可以在鉆孔過程中加入冷卻液，使鉆孔過程中產(chǎn)生的熱量及時被冷卻液帶走，從而避免產(chǎn)生局部熱量集中而造成燒傷現(xiàn)象。

3 粉塵問題

       針對在碳纖維復(fù)合材料上制孔會產(chǎn)生粉塵的問題，同樣可以在鉆孔過程中使用冷卻液將鉆孔時產(chǎn)生的粉塵帶走，使粉塵不散布到空氣中，從而避免對環(huán)境和人體產(chǎn)生危害。另外，還可以使用機(jī)器人鉆孔，一方面使操作者遠(yuǎn)離有粉塵污染的環(huán)境；另一方面，還可以對鉆孔過程進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)一步確保鉆孔質(zhì)量。由于使用機(jī)器人鉆孔的一次性投入成本和后續(xù)維修成本極高，使用局限性較大，且加工效率并不見得比傳統(tǒng)工藝高，因此極少有企業(yè)選擇使用機(jī)器人鉆孔。

       對于手工鉆孔，在鉆孔過程中添加冷卻液很不方便，且碳纖維粉塵與冷卻液混合后不便于清理，因此也可以使用帶有吸塵附件的鉆孔工具，在鉆孔時與高負(fù)壓吸塵器連接，通過高負(fù)壓吸塵器所產(chǎn)生的大量空氣快速流動，將鉆孔所產(chǎn)生的粉塵吸入到吸塵器中。另外，避免粉塵在空氣中飄散。

4 分層問題

       在鉆孔過程中產(chǎn)生的分層是指鉆孔過程中軸向力作用引起孔壁周圍材料發(fā)生層間分離的現(xiàn)象。其評價指標(biāo)為分層因子Fd，定義如下：Fd =Dm/Do，其中，Dm 為孔的層間破壞區(qū)域最大直徑；Do 為被加工孔的名義直徑。

       分層因子Fd 與平均軸向力Fz之間存在著線性或分段線性的關(guān)系，F(xiàn)z 越大，F(xiàn)d 越大，分層也就越嚴(yán)重。而軸向力的大小又受鉆孔過程中的進(jìn)給速度、刀具鉆速、鉆頭直徑、切削刃幾何參數(shù)、材料厚度、CFRP 材質(zhì)等多種因素的影響。在鉆頭直徑、切削刃幾何參數(shù)、材料厚度、CFRP 材質(zhì)一定的情況下，進(jìn)給速度和刀具鉆速將是影響軸向力大小的主要因素。

       圖1 是φ 4mm 硬質(zhì)合金鉆頭鉆削3.5mm 厚復(fù)合材料時軸向力與轉(zhuǎn)速n 及進(jìn)給量i 的關(guān)系曲線[3]。從圖1 可以看出，軸向力隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，這是因為較高的切削速度產(chǎn)生較多的切削熱，使工件材料的強(qiáng)度和硬度下降，軸向力有所下降；軸向力隨著進(jìn)給量的增加而增大，這是由于隨著進(jìn)給量增加，切削層厚度增加，所以會使軸向力增大。同時可以看出進(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關(guān)鍵因素。

       在手工鉆孔時，進(jìn)給速度完全由工人手工控制，因此非常不穩(wěn)定，這也是造成手工鉆孔孔質(zhì)量不穩(wěn)定的主要因素。因此，控制手工鉆孔時的進(jìn)給速度就成了在碳纖維復(fù)合材料上鉆孔成敗的關(guān)鍵?？刂剖止ゃ@孔的進(jìn)給速度可以在普通風(fēng)鉆上增加一個可調(diào)式液壓系統(tǒng)，通過調(diào)整液壓的壓力來抵消工人的手工推力，從而控制刀具的進(jìn)給速度。美國Hishear工具公司生產(chǎn)的一種高速鉆（Lap Drill）就是采用液壓控制裝置來控制刀具進(jìn)給速度的工具。

       此外，刀具的鉆速也影響著軸向力的大小。對于手工鉆孔，當(dāng)工具的鉆速特別高時，人手將很難保證鉆孔過程中工具和刀具的穩(wěn)定性，鉆孔質(zhì)量反而會出現(xiàn)下滑的趨勢，因此控制刀具鉆速也很重要。對于手工鉆孔而言，刀具的鉆速完全取決于風(fēng)動工具提供的鉆速，而風(fēng)動工具所能提供的轉(zhuǎn)速又受風(fēng)壓、工具精度等方面的影響。因此改善風(fēng)路條件、提高風(fēng)壓穩(wěn)定性和選擇質(zhì)量較好的風(fēng)動工具也對提高手工鉆孔質(zhì)量有所幫助。通過在7mm 厚的碳纖維復(fù)合材料上手工使用1500r/min、3300r/min 和6000r/min 的風(fēng)動工具鉆制φ 4.85mm 的孔進(jìn)行對比試驗表明，使用6000r/min 的工具時能夠更有效的減少分層缺陷的出現(xiàn)。

5 撕裂和毛邊問題

       撕裂和毛邊缺陷是碳纖維復(fù)合材料加工中最常見的故障，且多發(fā)生在孔的出口一側(cè)。撕裂和毛邊的產(chǎn)生都是由于鉆刃鋒利度不夠，復(fù)合材料纖維沒有被完全切斷造成的。因此提高切削刃的鋒利性能夠有效地解決此類缺陷。在手工鉆孔中，一般采用氣相沉積金剛石鍍膜（CVD）或聚晶金剛石鍍膜（PCD）硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行鉆削加工。金剛石刀具有極鋒利的切削刃，可以在進(jìn)給量非常小的情況下進(jìn)行良好的切削。同時，鋒利的切削刃也使鉆削力變小，加上金剛石的摩擦系數(shù)小，可以進(jìn)一步降低切削力，從而降低軸向力，防止各種缺陷的發(fā)生。由于目前國內(nèi)罕有企業(yè)掌握金剛石涂層技術(shù)和擁有相應(yīng)設(shè)備，因此在實(shí)踐中大多使用氮鋁鈦涂層的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行孔加工。實(shí)踐對比，氮鋁鈦涂層刀具的鋒利度比金剛石涂層稍差，且使用壽命也較短。因此為確?？踪|(zhì)量，需根據(jù)夾層厚度規(guī)定鉆孔數(shù)量在孔的出口處墊上膠木塊，確保鉆削過程中復(fù)合材料纖維不偏倒，這也是減少撕裂和毛邊的有效辦法。

手工鉆孔時提高孔質(zhì)量的其他方法

       與機(jī)械自動鉆孔相比，手工鉆孔有許多的不確定因素和人為影響，因此提高手工鉆孔質(zhì)量的關(guān)鍵在于減少或減小這些不確定因素和人為因素的影響，從而達(dá)到一個平穩(wěn)鉆削的過程。為獲得高質(zhì)量的孔，采用合理的工藝措施是必要的。

1 采用分步鉆孔的工藝方法

       分步鉆孔的方法就是在鉆孔時并不一次將孔鉆制到終孔，而是鉆孔后采用擴(kuò)孔或鉸孔的方式將孔加工到終孔的方法。采用分步鉆孔的方法能夠減少鉆孔過程中的吃刀量，從而降低軸向力，減小缺陷產(chǎn)生的幾率。吃刀量的減少還能夠減少刀具的磨損，提高刀具使用壽命。而且鉆孔后采用鉸孔，能夠有效降低孔表面的粗糙度和提高孔的圓度。

2 使用垂直器或鉆模板

       手工鉆孔過程中，如材料夾層厚度較厚時，手工鉆孔的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，將大大增加孔加工缺陷的產(chǎn)生。因此，在夾層較厚的情況下，手工鉆孔應(yīng)使用垂直器或與鉆模板配合鉆孔，以起到穩(wěn)定刀具的作用，從而增加鉆孔過程中的穩(wěn)定性。

3 選擇正確的鉆孔方向

       當(dāng)鉆孔夾層中既有碳纖維復(fù)合材料又有金屬材料時，選擇合適的鉆孔方向也是影響孔質(zhì)量的重要因素。通常情況下，在復(fù)合材料和金屬材料夾層上鉆孔時，應(yīng)選擇從金屬材料向復(fù)合材料鉆孔，以避免排屑過程中金屬切屑損壞復(fù)合材料上的孔。如結(jié)構(gòu)空間限制，只能從復(fù)合材料向金屬零件制孔，那么可以選擇加大鉆頭的排屑槽尺寸，以確保刀具良好的排屑能力減小金屬切屑損傷復(fù)合材料的幾率；或選用左旋鉸刀，將金屬切屑向刀具出口方向推，以保證最終孔的質(zhì)量。

結(jié)束語

       碳纖維復(fù)合材料是一種新興的材料，國內(nèi)對在碳纖維復(fù)合材料上的鉆削加工技術(shù)研究仍處于起步階段。本文通過對手工在碳纖維復(fù)合材料上的鉆孔技術(shù)初步研究，得出以下結(jié)論。

     （1） 手工鉆孔時應(yīng)選擇較鋒利的刀具。
     （2） 應(yīng)選擇鉆速較高、穩(wěn)定性較好的工具。
     （3） 應(yīng)選擇合適的工藝方法以降低手工鉆孔時的不穩(wěn)定性。(end)