摘要
碳纤维复合材料是使用最多、应用最广的一种纤维增强型树脂基碳纤维复合材料，具有强度高、重量轻的特点，为提高航空发动机的推重比起到了不可或缺的作用。本文以一种T300碳纤维/BMP350树脂基复合材料为例，对复合材料钻削工艺技术特点和影响因素做了充分的分析研究，从刀具和工艺两方面进行阐述，提出了适合于降低复合材料分层缺陷的专用加工技术。 关键词：碳纤维复合材料、T300、钻削、分层缺陷；
引言
由于碳纤维复合材料的各向异性、非均质性以及增强材料的耐磨性，导致复合材料的加工成为一项非常复杂的技术，其切削机理和质量影响因素与金属加工完全不同，甚至切削环境的变化，如水或其他冷却液都能对复合材料基体产生影响。因此，充分掌握碳纤维复合材料在 钻削时的切削机理和影响因素，并对其变化因素采取相应的应对措施，是复合材料构件能够实现机械加工的前提。
1 碳纤维复合材料机械加工机理研究
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1.1 碳纤维复合材料切削机理分析
（1）碳纤维方向对切削过程的影响
在切削刃锋利的情况下，对不同角度的纤维铺层，切削时对材料产生不同的影响。对0°纤维方向，纤维在垂直干其轴线方向发生断裂之后，切削即分离，从而产生大的切削，这种模式下产生的裂纹会沿刀尖前方扩展，见图1a）；对90°纤维方向，材料去除首先是沿纤维-基体界面扩展，然后由于纤维剪切而扩展至复材构件表面，发生二次断裂［1］b7125，刀具对加工表面的挤压作用导致了沿复合材料深度方向的长度裂纹的出现，见图1b）；对45°纤维方向，切削机理由纤维的拉伸变形和垂直纤维方向的剪切组成，被切断的纤维将在理论加工面上发生回弹形成一个平面，见图1c）；对-45°纤维方向，纤维束在刀具的推动作用下，发生弯曲和折断，在纤维-基体分界面沿复合材料的厚度方向上［2]，纤维束之间会有裂纹出现，见图1d）。
1.
b） c） d）
韩国超级盔甲图1 切削不同方向碳纤维时切屑的形成机制
（2）碳纤维方向对刀具磨损的影响
切削时刀具的前刀面和后刀面都存在磨损，但后刀面磨损更为严重［3］。如前所述，在纤维方向为45°时，由干被切断的纤维发生回弹，将于刀具后刀面产生强烈的摩擦，见图2。对于0°和90°方向的纤维，其摩擦程度较轻。同时碳纤维也存在对刀具的研磨作用。
图2 在切削45º方向碳纤维时刀具后刀面的磨损
1.2 碳纤维复合材料切削的缺陷类型
（1）纤维毛刺。刀具在加工过程中被磨损后锋利度下降，不能很好地切断纤维，就会产生毛刺。芳纶纤维毛刺出现的较为明显，碳纤维也存在少量毛刺。
（2）纤维拔出和基体脱粘。当纤维方向与刀具移动方向成15°~ -75°夹角时，由于切削刃作用于已加工表面使纤维产生弯曲，导致纤维相对于基体发生位移，造成纤维滑移脱粘，与基体界面分离。刀具锋利度下降时，这一现象更加普遍。随着加工的继续进行，深度方向上的每一层相同位置都将出现此现象。
（3）分层。分层是以沿复合材料厚度方向层与层之间的分离以及层间微裂纹的形成为主要特征。钻头入口外的剥离分层主要是由切削力引起的，由于带右螺旋槽刃口的作用而产生了向上的轴向切削力，该轴向剥离力造成了层间的剥离分离；钻头出口处的推出分层是钻头靠近出口端时，未切削层材料的厚度逐渐减小，抗变形能力下降，当轴向负载超过层间的结合强度时就会产生分层[4]。分层是加工复合材料时产生的最重要、最严重的损伤。由
于分层缺陷无法用目视的方法观察，需要利用超声波探伤才能发现，所以在加工时要尤为注意。
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（4）热损伤。由纤维和微细刃口之间的摩擦引起。复合材料加工过程中，如果刀具转速过高，刀具磨损严重，或冷却条件不佳，造成机体局部过热，会引起固性基体的碳化以及热塑性基体材料的融化，即造成复合材料的烧伤。
l型匹配（5）化学损伤。在加工过程中，采用水基或油类的润滑或冷却液，其Ph值的酸碱性，或者加工冷却长时间与水接触，会导致复合材料回潮，纤维基体之间的分子键破坏，造成纤维和基体之间的脱粘，产生裂纹或分层。使用干式切削、微量润滑或气体冷却技术可以有效控制此类缺陷的产生。
1.3 碳纤维复合材料钻削的影响因素
（1）刀具类型。复合材料钻削时，孔中心的材料是在横刃的推挤作用下被推出孔外，从而导致分层缺陷的产生。因钻头顶角越大，钻削的推力就越大，故采用最小的顶角值能够使分层达到最小，但是加工的表面粗糙度不好。电镀金刚石套料钻和三尖钻相比于传统麻花钻，推力和扭矩都会明显降低，更加不容易出现分层等缺陷。
（2）钻削力。钻削刚开始时，横刃钻入复材构件推力增加剧烈，随后推力增加减缓，同时由于复材层间的不同材料特性，推力出现较大波动，当钻尖靠近出口时，推力突然下降；进给速度的增加会造成剪切平面区域的扩大，造成推力的上升，影响十分明显；切削速度的增加并不会造成推力的明显改变，但在高速（主轴转速在10000~40000r/min）切削时，由于刀具刃磨损较快，切削刃的几何结构和尺寸发生较大变化，推力会随之增大。同时，钻削力会影响钻孔尺寸公差值，在产生较低切削力的刀具和切削条件下，加工后得到的偏差较小。
（3）刀具磨损。磨粒磨损和疲劳磨损是加工碳纤维复合材料的主要磨损机理。由于碳纤维的摩擦作用在主切削刃和副切削刃都会产生一定程度的钝化，切削速度不变时，进给率增加，会使刀具和具有研磨作用的纤维之间的有效接触长度减少，刀具磨损减小。相比干式切削，适当的冷却能够有效的保护刀具，减小磨损，但是需要注意冷却液与复合材料基体间的化学反应，避免产生化学损伤。
（4）切削参数。相比金属切削，复合材料加工的切削力仅为其15%左右，因而可以承受较高的切削速度和进给量。复合材料切削中，硬质合金钻头的切削速度可达60~70m/min，进
给量最大为0.3mm/r。高的切削速度虽然会降低推力和扭矩，但可能会导致基体的软化烧伤并堵塞刀具螺旋槽，同时刀具磨损也会加剧；进给速率是影响复合材料加工损伤的主要参数[5]。随着进给率的增加，切削力和扭矩增大，刀具磨损加快，推力增大。综合考虑质量和效率两个方面，可采用加入支撑垫板和可变进给速率的方法。垫板的使用能减小由钻尖产生的推力所造成的出口分层，其缺点是安装使用不便，增加加工时间。利用数控机床，降低钻尖靠近出口时的进给速率是一种独特巧妙的办法，易于实现，无需额外条件。
2 碳纤维复合材料钻削工艺参数的选用
以T300碳纤维（直径约为7um）/BMP350树脂基复合材料为例，介绍钻削工艺参数的选用方法。此材料采用热压罐工艺成型，铺层顺序为[45°，-45°，90°，0°，90°，-45°，0°，90°，45°，0，90]s。这样的铺层结构较单向铺层方式增强了整体构件在不同方向上的抗拉强度，但是纤维束方向相对于切削方向对切削过程中的影响在铺层之间依然存在，对刀具产生磨损的程度仍需关注，构件本体产生毛刺、分层等缺陷的风险更加不可忽视。为了减小这些不利因素带来的影响，从以下几个方面考虑以确定加工时的参数。
钻头几何参数。钻头顶角和螺旋角以及横刃的锋利度是钻削推力的主要影响因素，较小的
顶角和螺旋角可以减小钻削时的推力和扭矩。预钻削虽然降低了加工效率，但可有效减小分层的出现。复合材料钻削采用“预钻+扩钻”的方式，预钻时采用顶角为90°、螺旋角为30°的硬质合金三尖钻；扩钻时采用顶角为118°、螺旋角为30°的硬质合金三尖钻。
钻削加工参数。为了降低钻头在出口时出现分层缺陷的风险，可将钻头切削速度提高至80m/min，进给率采用可变进给，钻尖即将钻出复材构件底面之前，进给率F=0.2~0.3mm/r；在钻尖即将钻出复材构件底面时减小进给至1/10，进给率F=0.02~0.03mm/r。
钻头涂层。采用硬质合金基体的CVD金刚石薄膜涂层钻头有效寿命较长，钻头磨损后，需要返厂进行重新刃磨和重新涂层，周期长成本高；不含涂层的硬质合金钻头有效寿命约为CVD金刚石薄膜涂层钻头的1/10，寿命较有涂层钻头相差较大，但可通过手工或刃磨设备重新修磨后继续使用，刃磨次数通常可达几十次，使用灵活，方便快捷。因此，一般采用后者。
3 结论
本文对碳纤维复合材料钻削技术特点和影响因素做了充分的分析研究，确定了一套行之有效的工艺参数、刀具形式以及加工方法，可有效控制复合材料加工分层缺陷的产生，为高质量地加工同类材料提供了参考。
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