杨小璠 李友生 鄢国洪 刘菊东 许志龙

(①集美大学机械与能源工程学院，福建 厦门 361021;②厦门金鹭特种合金有限公司，福建 厦门 361021)

碳纤维复合材料(CFRP)具有轻质、高强度、高刚度、抗疲劳、耐腐蚀和可设计性强等优异性能，被广泛应用于航空、航天和国防等领域［1］。随着CFRP 应用量的增加，其二次加工质量也越来越重要。由于CFRP 具有非均质及各向异性的特点，层间强度低而碳纤维的硬度高，在机械加工过程中，特别是钻孔过程中容易产生毛刺、撕裂、分层等缺陷，属于典型的难加工材料［2］。

目前国内外学者针对CFRP 钻孔过程中撕裂与分层缺陷的产生及其抑制措施展开了广泛研究。Tsao和Hocheng［3］揭示了撕裂和分层缺陷的形成机理，同时讨论了分层缺陷与进给速度的关系;Paulo Davim等［4］以螺旋面刃尖硬质合金钻头通过不同切削参数研究了减少分层缺陷的方法，认为合理选择刀具参数和钻削工艺参数可以避免分层缺陷的产生;鲍永杰等［5］以单层碳纤维复合材料为研究对象，采用单点飞切探索了撕裂缺陷的形成过程，分析了刀具类型、钻削力、切削速度等因素对钻孔缺陷的影响规律，并研究“以磨代钻”新工艺钻削CFRP 的合理性。本文分析了CFRP 钻孔缺陷的形成机理，提出“先切后推”的新型钻削模式，并使用本课题组研制的新型W 钻头进行CFRP 的钻削试验，在相同切削条件下，通过与涂层硬质合金麻花钻的钻孔出口表面质量进行对比分析来说明新型W 钻头的加工性能。

1 碳纤维复合材料钻孔缺陷的形成机理分析与改善

碳纤维复合材料在应用过程中往往需要与其他结构进行连接，连接是复合材料结构的薄弱环节，据统计，航空航天飞行器中60%～80%的破坏都发生在连接部位。连接中最常采用的机械连接需要先制孔，例如，一架波音747 飞机有300 多万个连接孔，而美国先进的F-22 战斗机每副机翼要14 000 个精孔。由于CFRP 是将一层层单向或交叉布置的碳纤维布按照一定的铺层顺序，经过装模、升温、注胶、固化、后固化、开模等工序制作而成的，其中单根碳纤维直径一般只有几个微米。在钻削加工时，出孔处易出现毛刺、撕裂的现象，孔的内部易产生材料分层的缺陷，给后续工艺甚至整机性能带来不良影响［6-7］。

在航空制造领域中，普通麻花钻作为一种传统经济有效的刀具仍然存在于生产领域。但在CFRP 的加工方面，普通麻花钻存在耐用度偏低、出孔质量无法保证等瓶颈［8］。图1 所示为普通麻花钻钻削CFRP 的示意图。钻孔时，麻花钻的横刃首先接触复合材料，横刃处的负前角切削会加大碳纤维及树脂基体变形、断裂的抗力，且横刃工作时的切削速度小，对材料的挤压和研磨作用大于切削作用，会产生较大的轴向钻削力。而CFRP 为各向异性材料，厚度和水平方向力学性能相差甚远，当刀刃钻削加工至最后一层纤维材料时，由于孔的出口侧没有下面材料的支撑，刚性降低，在轴向钻削力的作用下，纤维束容易发生分散，不易被剪切断，从而形成出孔毛刺［9］。此时毛刺一般与工件基体未发生撕裂，对工件质量影响较小，但是需要后续的加工工序将毛刺去除，会增加加工成本。当钻头刃口磨损，切削刃不够锋利时，如果没有及时调整钻削参数，会产生较大的轴向钻削力［10］。在钻削过程中，当纤维层受到的轴向钻削力大于复合材料纤维层与纤维层之间的粘结强度时，材料内部就容易出现分层现象，出孔表面容易发生撕裂现象，如图2 所示。出孔时的撕裂和孔内部的分层现象严重影响零件质量，特别是内部分层不容易观察和发现，在零件使用过程中存在安全隐患。

针对上述分析，可以总结概括出普通麻花钻在钻削CFRP 时是一种“先推后切”的加工方式，即在钻削碳纤维层时，钻头上的横刃首先接触到纤维材料，由于横刃为负前角工作，会产生较大的轴向钻削力作用在纤维层上，从而先在钻芯处形成一个小孔，再由钻头的两条直线主切削刃开始剪切纤维，将小孔逐渐扩大为公称直径要求的孔。这种“先推后切”的加工模式由于始终有较大的轴向力作用在纤维层上，非常容易造成工件出孔处的毛刺、撕裂和孔内部分层等缺陷。为此，本文提出了一种“先切后推”的新型钻削模式，并研制出新型W 钻头，如图3 所示。使用新型W 钻头钻削CFRP 时，钻头刃尖先接触到复合材料，主要起定位作用，随即W 型钻头外缘的W 刃尖接触材料并开始切削，先将被加工孔圆周的纤维层剪切断，然后再由钻头的主切削刃继续剪切碳纤维层。在W 型钻头出孔时，钻尖将已剪切完成的柱状纤维板完整推出，副切削刃对已形成的孔进行修正，进一步将少量毛刺切断，形成孔最终形态，从而减少或避免工件上毛刺、撕裂、分层等缺陷的产生，如图4 所示。

2 试验条件

切削试验在福裕QP2033-L 加工中心上进行，选用TiAlCrN/TiSiN 涂层的硬质合金麻花钻和课题组研制的TiAlCrN/TiSiN 涂层W 型钻头，分别对T300 型碳纤维复合材料在相同条件下进行孔的钻削加工。试验后选用Keyence 显微镜(型号:VHX100)观察钻削出口孔质量。工件材料性能如表1 所示，钻削加工条件如表2 所示。

表1 碳纤维复合材料性能表

表2 碳纤维复合材料的钻削加工条件

试验中使用的钻头如图5 所示，其中TiAlCrN/TiSiN 涂层硬质合金麻花钻顶角为118°，螺旋角为30°，两种刀具直径均为4 mm。

3 试验结果与分析

碳纤维复合材料钻孔时，入口侧和出口侧是缺陷容易发生的部位。在入口侧由于材料的承载能力很强，缺陷相对较少，对钻孔质量影响不大;出口侧由于刚性降低，在轴向力作用下容易向外退让，是缺陷发生相对集中的地方。因此以出口侧为观察对象，观察钻削出孔的表面质量。

图6 所示为两种钻头在相同加工条件下钻削碳纤维复合材料时出口孔表面质量的照片。从试验中可以看出，涂层麻花钻在开始钻削CFRP 时，出口孔表面质量还可以达到要求，但钻削8 个孔后，出口孔表面即出现毛刺、轻微撕裂的加工缺陷，如图6a 所示。这是由于加工过程中随着钻头的磨损，刃口不够锋利，出口孔处纤维层受到的轴向钻削力增大，导致纤维发散，不易被剪切断，从而形成毛刺、轻微撕裂的加工缺陷。使用普通麻花钻继续加工至25 个孔时，钻头磨损加剧，出口孔处出现明显的毛刺和撕裂缺陷，如图6b 所示。由于钻削过程中，作用在材料上的钻削力可分解为轴向力和切向力，当钻头磨损切削刃变钝后，钻削力显著增大，在轴向力的推挤作用下，CFRP 板底层的局部材料发生层间脱粘，纤维层之间形成“张开型”裂纹而导致分层，这部分分层的材料在切向力撕扯的继续作用下发生偏移，形成“撕开型”裂纹，两种裂纹扩展合并形成了最终的撕裂缺陷。观察材料出孔处的表面形貌，可以发现:在撕裂产生过程中发生的分层破坏并不是圆环状，而是小范围的材料脱粘导致的分层破坏，由此可见，钻削轴向力增大是影响撕裂生成的主要因素。

使用W 型钻头钻削CFRP 过程中，在加工至25个孔时，可以观察到材料的出孔表面质量仍良好，仅有轻微的毛刺出现，如图6c 所示。由于W 型钻头采用“先切后推”的设计理念，从结构上缩短了横刃的长度，只留下较短的横刃(刃尖)在钻削过程中起定心的作用，加工余量的去除主要由外缘锋利的W 刀尖完成，因此钻孔时由横刃产生的轴向力比普通麻花钻小得多，更不容易产生撕裂和分层的缺陷。当W 型钻头钻穿CFRP 时，最后几层纤维材料被W 刃尖剪切断，而钻头的主切削刃只是钻尖部分在纤维层上形成一中心圆形小孔，其他部分来不及继续切削即随钻尖将纤维层推出，从而形成一个圆形的碳纤维切屑板，如图7所示。当使用W 型钻头钻削50 个孔后，工件出孔表面亦出现毛刺和小范围的撕裂现象，如图6d 所示。这是由于W 型钻头的W 刃尖非常锋利，钻削过程中磨损较快，当W 刃尖过度磨损刃口不够锋利时，也存在普通麻花钻相似的问题，会导致钻削力增大，纤维丝不易被剪断的情况。

4 结语

本文通过对普通麻花钻钻削碳纤维复合材料时出孔缺陷形成机理的分析，提出了采用“先切后推”的钻削模式来设计新型W 钻头;在相同切削条件下，选择均为TiAlCrN/TiSiN 涂层的硬质合金麻花钻和新型W钻头进行碳纤维复合材料的钻削加工对比试验。通过对钻孔出口表面质量的分析，得出新型W 钻头在钻削碳纤维复合材料时比普通麻花钻具有更好的切削性能，验证了针对碳纤维复合材料的钻削加工采用“先切后推”切削原理的正确性，为提高碳纤维复合材料的钻削加工质量提供了有益的帮助。

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