谈航空碳纤维复合材料无缺制孔方法范文

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【摘要】碳纤维复合材料自身应用价值较高，属于先进性较高的材料，当前在航空飞机中应用范围逐步扩大，开始朝着多领域发展。现代化飞机结构设计以及建造先进性通过复合材料应用位置与应用量能够进行衡量。目前碳纤维复合材料用量在进一步增加，随着机械加工领域快速发展，在碳纤维复合材料加工中各类加工机械磨损情况较为严重，在加工生产过程中出现的缺陷较多，受到相关部门高度重视。

【关键词】航空；碳纤维复合材料；构件；无缺陷制孔

近些年国内外诸多公司为了对复合材料加工问题进行有效控制，在实践生产过程中开始应用各类特殊性较高的刀具设备，比如波音公司开发研制的单向四槽螺旋硬质铣刀能够对切削热问题进行控制。还有西方国家通过超声振动加工技术，通过相应结合剂使得钻头能够有效烧结，这样有助于提升刀具应用寿命，还能提高钻孔效率。从我国装配配孔中还是采取硬质合金刀具，对刀具产生的磨损性较大，实际生产加工效率较低，加工质量难以提升。

1碳纤维复合材料制孔缺陷的形成原因分析

1.1观察钻孔形成缺陷碳纤维复合材料在航空领域进行应用，主要是对设计要求进行分析，然后合理选取单向预浸料进行设计，形成多层板之后进行应用，受到材料不同层间强度的影响，在具体钻削阶段，纤维方向与切削方向的夹角会产生相应变化，切削性能表现为不同形态。当横刃全部钻出之后，横刃与材料充分接触会导致材料产生相应变化，此时也会对表层纤维产生较大影响。表层材料实际束缚性与承载较差，通过外部强大的钻削力使得材料荷载力增加，若将钻头深入钻出，外部压力会扩大，材料中诸多纤维会被割断，钻孔缺陷会在作用力影响下朝着表层纤维进行深入延伸。在已经钻出的切削刃周边会出现不同形状的凸起部位，此时主要是撕裂和分层产生阶段。等到缺陷实际扩展程度不断加深，开始大于孔直径，会形成最大隐患。切削钻出之后，材料表层纤维会被切断，并且相应的切削力会降低，也难以对产生的缺陷问题进行控制修正。综合上述分析，在碳纤维复合材料钻削中应用合金麻花钻进行操作，由于受到钻削力影响，加上钻头深度不断扩大，出口侧材料会逐步分层，纤维开始断开，缺陷问题进一步延伸，范围开始逐步扩大，超出孔直径之后会成为最终缺陷[1]。1.2钻削轴向力对各类缺陷的影响碳纤维复合材料在制孔过程中轴向力是导致缺陷发生的主要原因，通过轴向力、分层、撕裂相关评价能够分析轴向力对缺陷的影响。目前分层缺陷主要是通过的分层因子相关指标对缺陷产生的负面影响进行深入探究。针对撕裂缺陷要对撕裂影响因子影响深度进行整合，然后计算缺陷位置拓展面积与产生的不良影响。通过完备的试验对钻头基本转速进行控制，可以保持为6000r/min。对钻进速度进行调控，分别设为25mm/min，35mm/min、45mm/min，55mm/min，在钻孔之后要对不同试件进行探伤，对分层区域测定范围进行分析，对分层因子进行计算。为了对撕裂缺陷与轴向力关系进行分析时，要对试验参数进行多次试验，轴向力对撕裂缺陷有较大影响。轴向力增加撕裂因子也会逐步扩大。根据试验可知，如果轴向力大于120N，会致使撕裂因子进一步扩大，通过在线性拟合，二、三次非线性拟合，能够对相关试验数据进行有效对比[2]。

2航空碳纤维复合材料构件无缺陷制孔方法探析

2.1螺旋面钻尖钻头加工技术由于受到技术等要素限制，致使加工过程中存在诸多质量问题，比如通过合金麻花钻对碳纤维材料加工会产生毛刺等问题。所以要对原有的技术工艺进行优化，可以选取螺旋面钻头。将钻头形状转为螺旋面，与以往常用的麻花钻钻尖比较，横刃主要呈现为S型，所以具有良好的定心能力，在切入过程中稳定性较高，并且能够有效降低钻削轴向力，排屑能力较好。要对不同角度以及不同转速进行控制，做好对比实验，通过钻头几何参数设定能够对钻孔质量进行控制[3]。

2.2以磨代钻制孔方法从各项数据中可知碳纤维复合材料具有较强的硬度值，在不同环境加工中会产生较大热量，在加工中对切削力敏感度较高，开展试验时可以对电镀金刚石钻头进行研究，其中电镀金刚石钻头切削原理和普通钻头存在差异，可以全面实行以磨代钻，在实际操作记录情况来看，磨粒运动基本运行轨线是呈现为螺旋线，钻孔刀是主要切削部分，在切入中通过较快速度全部切入到碳纤维复合材料中，在挤压、摩擦影响下，材料纤维和磨粒切削刃之间会产生不同形变，所以当前相关操作人员要对基体弹性阻力和碳纤维材料弹性阻力进行调控。要确保电镀超硬磨料基本应用性能能够有效提升，需要对直径钻头相应质量进行对比。在钻孔过程中合理选取相应硬度的合金钻头，在钻孔出口位置不会出现明显的质量问题。通过电镀金刚石进行钻孔，孔形能够得到控制，加工生产质量较高[4]。

2.3PCD刀具加工方法目前各个航空构建装配生产过程中对各项生产技术应用要求较高，在装配制孔操作过程中要对构件合理选取，可以将复合材料与合金构件进行配套应用。不同应用材料应用功能存在较大差异，装配钻孔中施工难度较大。在铝合金材料加工中要对磨粒加工进行控制，对专用刀具进行研究，比如聚晶金刚石刀具进行应用[5]。通过生产试验操作可以得出在装配制孔中金属材料与复合材料应用效果较好。在传统硬质合金钻头选取中，选用PCD钻头对碳纤维复合材料进行加工能提升出口处质量。通过具体试验对不同材料以及顶角钻头加工质量进行分析，对试验过程进行有效优化[6]。

3结果分析与讨论

钻孔缺陷问题发生主要是受到纤维方向的影响，在实际生产环节，要对刀具切削方向和纤维方向进行控制，如果二者呈现为锐角形态，纤维层将很难切断。钻孔轴向力与碳纤维复合材料分层因子呈线性关系，其中轴向力不断扩大，会导致分层缺陷更加明显，其撕裂缺陷也会进一步扩大。在相同生产效率基础上，通过降低钻孔轴向力，例如刀具角度优化能够提升加工质量。通过选用不同制孔刀具，能够使得复合材料制孔质量全面提升。在现代化科学技术快速发展背景下，如果是选取自动化机床加工要在套料的以磨代钻方法提升加工质量。螺旋面钻头锋利度较高，通过提升钻削轴向力能够使得材料钻孔质量有效提升，相应的耐用度会逐步降低，当前需要应用更为专业的设备进行刀磨。

4结语

总而言之，当前要从实践中航空碳纤维复合材料构件无缺陷制孔方法实际加工成效较好，具有良好的发展前景。当前要对刀具基本应用性能进行优化，对刀具成本进行控制，便于刀具有效应用，能够促进加工技术提升，推动我国现代化工业全面发展。

参考文献

[1]鲍永杰，高航.碳纤维复合材料构件少无缺陷制孔技术[J].航空制造技术，2007（z1）：88~92.

[2]何凯，李成龙，龚志红，等.航空复合材料构件精确制造技术探讨及应用[J].航空制造技术，2017（9）：101~105.

[3]曾学花，徐志农，李雄兵，等.碳纤维复合材料构件超声自动检测系统[J].组合机床与自动化加工技术，2007（8）：47~50.

[4]蔺绍玲，张士卫，张云露，等.碳纤维复合材料在发射装置上的应用研究[J].航空制造技术，2017（8）：104~109.

[5]蔡闻峰，周惠群，于凤丽，等.树脂基碳纤维复合材料成型工艺现状及发展方向[J].航空制造技术，2008（10）：54~57.

[6]魏莹莹，安庆龙，蔡晓江，等.碳纤维复合材料超声扫描分层检测及评价方法[J].航空学报，2016，37（11）：3512~3519.

作者：杨文 单位：中航西飞民用飞机有限责任公司