摘要: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。
关键词:航空;碳纤维复合材料;构件;无缺陷制孔
电镀金刚石钻头切削原理和普通的钻头不同,电镀金刚石钻头钻孔的本质为“以磨代钻",制孔时每一个磨粒的运动轨迹是螺旋线。刀具端面上的磨粒为主切削部分,这些磨粒大多数是负前角,一个具有很大负前角的切削刃以很高的速度切入复合材料表面,磨粒切削刃和纤维之间产生摩擦、挤压作用,并且克服碳纤维和基体的弹性变形的阻力形成切屑。随着碳纤维复合材料用量的不断扩大,机械加工工作越来越多,然而由于碳纤维复合材料机械加工性差、刀具磨损严重,生产中出现的诸如制孔毛刺、撕裂、分层缺陷等问题也越来越多,一直以来采用硬塑料板或铝板顶紧钻头出口处,防止复合材料孔出口面撕裂,严重影响了产品质量和生产效率,已经引起企业越来越高度的重视。
一、碳纤维复合材料制孔缺陷
1、孔缺陷形成观察。航空板类碳纤维复合材料构件一般多用单向预浸料按照设计要求叠合制成多层板使用,由于层间结合强度与纤维本身强度不同,以及在钻削过程中纤维方向与切削方向的夹角变化等原因,会表现出的不同的切削性能,导致钻孔过程中形成各种各样的缺陷。横刃钻出时,横刃周围材料有不同程度的退让现象形成凸起形状,此时最表层纤维大部分未被剪断,这主要是由于最表层材料没有束缚,承载能力较低,所以在钻削力的作用下材料产生退让。当钻头进一步钻出时,随着主切削刃的深入,部分纤维被切断,钻孔缺陷在钻削力的作用下沿着材料表层纤维方向扩展,在已钻出的切削刃附近仍然有相对较大面积凸起部分,此时是分层、撕裂缺陷形成的主要阶段,当缺陷的扩展程度大于孔的直径时,便成为最终缺陷。当切削刃大部分钻出时．此时表层纤维大部分被切断,并且由于此时钻削力降低,缺陷扩展的趋势减小。当切削刃全部钻出时,副切削刃对已形成的缺陷进行修正,进一步将未切断纤维进行切断。从上面的分析可知,硬质合金麻花钻钻削碳纤维复合材料时,在钻削力的作用下,出口侧材料首先产生局部分层现象,随着钻头的深入缺陷沿纤维方向扩展,同时纤维被切断,缺陷扩展超过孔直径时便形成了影响孔质量的最终缺陷。
2、削轴向力对分层、撕裂缺陷的影响。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,每组参数重复试验3次,分别对轴向力及撕裂因子取均值,轴向力对撕裂缺陷有较大的影响,撕裂因子随着轴向力的增大而增大,在轴向力超过120N时,撕裂因子急剧上升。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。通过对试验数据点的线性拟合、二次非线性拟合和三次非线性拟合,可以发现三次非线性拟合与试验数据相符合程度高。
二、航空碳纤维复合材料构件无缺陷制孔方法
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。
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。
3、PCD 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。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。
4、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。
总之,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。
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