（中航飞机股份有限公司，710000）
摘要：本文对航空碳纤维复合材料钻孔进行研究，首先分析了钻孔缺陷的形成与钻削轴向力的影响因素，然后提出了螺旋面钻尖钻头加工技术、新PCD刀具加工技术、电镀金刚石制孔技术，对三种技术的钻孔方法与质量进行分析，最终得出结论，即三者相比电镀金刚石制孔技术更胜一筹。
关键词：航空；碳纤维复合材料；无缺陷制孔
引言：
随着碳纤维复合材料使用量不断增加，机械加工工作强度不断提高，由于在加工性能较差，刀具磨损严重，在生产中很容易出现撕裂、毛边、分层等缺陷，使产品的生产质量与效率受到严重影响。在以往的生产中，采用硬塑料板进行预防，但效果并不显著。本文介绍了多种无缺陷制孔技术，并对应用效果进行分析。
1.钻孔缺陷的形成机制
1.1钻孔缺陷的形成
航空板类碳纤维复合材料通常采用单向预浸料的方式，根据相应设计要求制成多层板投入使用，由于各层板之间的强度、纤维存在差别，加上切削方向、纤维方向等因素影响，将表现出多样化的切削性能，导致钻孔中出现各种类型的缺陷。当横刃钻出以后，周围材料将出现多种程度的退让，局部突起，此时最外层材料由于缺少束缚，使承载力大大降低，在钻削力的影响下产生退让；当钻头钻出后，主切削刃的深入进一步增加，部分纤维被切断，钻孔缺陷在该力的作用下顺着材料表层纤维方向而延伸，在已经钻出切削刃的周围已经出现众多突起，此处便是撕裂缺陷形成的主要阶段，当该缺陷逐渐增加后，便会成为最终缺陷；当大部分切削刃钻出后，此时大多数表层纤维被切断，使钻削力降低，缺陷的扩展也趋势也随之减小；在切削力全部钻出以后，副切削刃已对成熟的缺陷进行有效修正，并进一步将没有切断的纤维切断。
从上述分析可知，碳纤维复合材料在钻削影响下，出口侧材料将出现局部分层情况，与钻头深入缺陷处相结合，纤维被切断后，缺陷扩展将大于孔直径，此时便形成了最终缺陷对孔质量产生了重大影响。
1.2钻削轴向力影响因素
轴向力属于缺陷生成的主要因素，通过将轴向力、撕裂评价因子间的关系进行分析，可得出钻削轴向力的影响因素。在分层缺陷方面，一般采用分层因子指标对缺陷度进行分析，而撕裂缺陷则采用撕裂因子对其进行评价。通过实验的方式进行验证，将钻头速度设置为6000r/min，进给的速度为25mm/min、35mm/min、45mm/min，分别对轴向力与分层因子、撕裂因子的数值进行选取，对钻孔后的试件利用超声进行检验，以此来确定区域的最大面积。从实验结果可知，对实验数据点进行三次线性拟合后，发现三次拟合与实验数据基本上相符[1]。
2.复合材料高效制孔加工技术
2.1螺旋面钻尖钻头加工技术
以往对于复合材料的加工主要使用传统硬质合金麻花钻，但在加工中很容易出现毛刺等情况，对此，尝试着将钻头刃磨成螺旋面钻尖进行加工。与以往设备相比，螺旋面钻头与钻心位置的后角较大，可使横刃前角增加，横刃形状为S形，可提高切入的稳定性，钻削轴向力也可降低15%—20%，具有较强的排屑能力。分别将顶角设置为96°、108°、122°、130°与146°，后角设置为5°，在参数相同的情况下，即钻头的进给速度为52mm/min，转速为12000r/min时，展开对比试验，从试验结果可知，当顶角为130°时，螺旋面钻孔的质量达到最佳状态。
2.2新PCD刀具加工技术
在航空构件装配制造工作中，铝合金构件与复合材料装配制孔技术应用较为频繁。但是，两种材料之间具有较大的性能差别，使钻孔加工难度提高。由于铝合金材料的加工难度较大，可尝试采用聚晶金刚石制孔刀具，也就是PCD刀具，使金属材料与复合材料制孔效果得到显著提升。与硬质合金钻头加工相比来看,PCD钻头加工不但在质量上具有较强优势，而且在钻孔过程中，出口质量也优于普通硬质合金刀具，通过深入实验表明，对于不同顶角、不同材质的PCD钻头来说，在加工质量上存在较大差异，需要进一步优化实验。
2.3电镀金刚石制孔技术
对于碳纤维符合材料来说，其硬度较大、加工发热较为严重，对切削力较为敏感，对此，在本实验中尝试着采用电镀金刚头作为钻头。在切削原理上与常规钻头存在区别，此类钻头进行钻孔可看成“以磨代钻”，在制孔过程中任一磨粒均以螺旋线进行运动。在刀具端面位置主要为主切削，此类磨粒大多为负前角，切削刃的负前角较大，切削的速度较快，纤维与切削刃之间相互挤压、摩擦，还要克服二者弹性变形而形成的切屑。为了进一步解释电镀磨料钻头的特征，可选取直径均为5mm的电镀金刚石钻头、硬质合金钻头各一个，针对钻孔质量进行对比。在使用硬质合金钻头进行钻孔过程中，孔出口的位置仍然存在飞边、毛刺等情况；而电镀金刚石钻孔时，孔型十分完整、出口处也不存在毛刺、毛边等情况，相比来看加工质量较为理想[2]。
3.结果分析与讨论
通过上述三种切削方式对复合材料进行制孔实验，可以得出以下结论：
（1）钻孔轴向力与碳纤维分层因子间存在较大联系，当轴向力越大时，分层缺陷也就越发严重；当轴向力越小时，分层缺陷越小；轴向力与撕裂因子缺陷间存在三次曲线关系，当轴向力越大时，撕裂缺陷也就越明显。由此可见，当加工条件、效率相同的情况下，可适当降低轴向力，例如，优化刀具角度、以磨代钻等，可使加工质量得到显著提高；
（2）将上述三种钻孔方式相比来看，电镀金刚石方法与其他两种相比优势较为明显，能够使制孔质量得到显著提升。如若使用机器人、数控机床等进行制孔，则可以进一步提高加工质量；
（3）新型PCD刀具在碳纤维复合材料加工中具有较为良好的加工效果，其发展空间较为广泛，可在未来的发展中重点研究刀具性能优化，使刀具成本降低，使刀具再刃磨问题得到有效解决，则此种方式将会得到更为广泛的应用。
结论：
综上所述，碳纤维复合材料加工难度较大，很容易出现缺陷问题，始终是制约复合材料在航空领域广泛应用的瓶颈。对此，本文对螺旋面钻尖钻头加工技术、新PCD刀具加工技术、电镀金刚石制孔技术，对三种技术的钻孔方法与质量进行分析，帮助机械加工打破瓶颈，提高表面质量水平，使其得到广泛应用。
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,2017(01):88-92.
[2]刘广卓.碳纤维复合材料无垫板制孔[J].航空工程与维修，2015(6):33-33