浅述复合材料构件制孔技术

浅述复合材料构件制孔技术

作者：李林

来源：《科学与信息化》2019年第17期

摘 要 复合材料构件具有优越的物理和力学性能，已在航空工业中得到大量应用。由于是典型的脆性材料及材料电位活性属性，复合材料构件必须采用特殊的制孔工艺和配套使用专用紧固件。本文分析、阐述了复合材料层压板制件和蜂窝夹芯层合板制件的钻孔和紧固件连接的处理要求和工艺方法。

关键词 层压板钻孔;夹芯件;層压板紧固件

先进碳纤维复合材料作为高端材料的一种，具有高强度比。高刚度比、耐高温、耐腐蚀、重量轻等优良的性能，虽然性能优越，但是二次加工比较困难。大型的碳纤维制品在飞机装配组合时，需要协调制孔，但是在钻孔时，加工状态非常不稳定，存在许多的不确定因素和人为影响，很容易出现孔周边撕裂、分层、外观不平整的情况，造成钻孔质量不稳定，制件孔壁周围材料缺陷严重。大型碳纤维复合材料零件制造成本极高，通常孔的加工数量又较多，钻孔时的任何质量问题都会形成产品缺陷，直接影响到零件的装配质量，严重时导致零件报废，造成巨大损失。加强复合材料加工技术的研究，对于提高飞机制造水平、加快和促进复合材料在航空制造业的应用具有重要作用。 1 碳纤维材料层压板钻孔技术要求

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由于碳纤维各角度铺层产生各向异性，层间强度低，同时碳纤维复合材料硬度高、性能脆、强度高及导热能力差，导致钻孔时钻头磨损严重，产生的切削转矩力大，零件材料在切削力的作用下易发生孔壁周围材料分层、孔出口撕裂等现象。在钻头直径、切削刃几何参数一定的情况下，钻头钻速和进给速度将是影响钻头轴向力大小的主要因素，轴向力随着转速的增大而减小，随着进给量的增加而增大，而且进给量的影响远大于转速的影响，所以进给量是控制轴向力的一个关键因素。孔出口撕裂多发生在孔出口一侧最外表面层，在钻孔加工中最常见的缺陷是由于钻孔接近钻出时，轴向力的下降速率小于材料强度的下降速率，造成切削材料未进入切削层即造成破坏，产生撕裂，所以在钻孔接近钻出时需要减少进给量，这样使钻削力小于缺陷产生的临界切削力，减少孔出口撕裂现象，同时由于钻刃锋利度不够，复合材料纤维不是被完全切断就已钻通，造成孔出口撕裂、毛边。因此，碳纤维复合材料孔加工，特别是接近钻通时，应选择较小的进给量[1]。

在碳纤维复合材料制件手工钻孔时，手持风钻的钻头加工状态非常不稳定，钻头的中心位置、垂直度等会发生误差和变化，操作者的工作经验直接影响孔的加工质量，手工钻孔过程中进给量不易控制，这是造成手工钻孔质量不稳定的主要因素，特别是孔接近钻出时由于被切削材料突然减少，瞬间材料本身的钻削反力突然大幅度减少，造成进给量会突然加大，出现钻头冲击性钻透现象，导致孔出口撕裂更严重。

为解决碳纤维复合材料手工钻孔加工中的难点，提高手工钻孔加工的稳定性，控制手工钻孔的进给量，需要通过必要的技术改进，改善碳纤维复合材料手工钻孔加工质量。在碳纤维层板孔钻出端外层共固化一层玻璃纤维，利用玻璃纤维的弹性弥补钻削反力的减少。也可考虑在孔预钻出时，在钻出端用木块等材料顶压层板以增加支反力。对于碳纤维材料的钻孔要采用硬质合金钢钻头，高转速（3000-5000转/分）、低进给量（0.02-0.05mm/转）制孔。 2 复合材料层压板夹芯件使用要求

层压板夹层使用蜂窝插件时，要保证蜂窝带方向与结构层板主载荷方向一致，且夹芯材料边缘用密封胶至少密封2个蜂窝单元宽;若蜂窝夹芯需紧固件孔，要在孔外围至少密封2个蜂窝单元区域以增加局部刚度。夹芯长度不能满足使用要求时，可用最大宽度1.3mm的一层泡沫黏合剂拼接夹芯[2]。

3 复合材料层压板紧固件使用要求

为防止电化学腐蚀，碳纤维/环氧树脂的复合材料结构不能使用铝质紧固件，仅可使用钛合金、A286、蒙乃尔或PH17-4不锈钢紧固件。

若使用盲紧固件，紧固件要有大底角。为防止层板纤维分层，不能使用剪切型钉头紧固件，不能以击打的方式连接紧固件且要密封剂湿安装紧固件。

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紧固件有埋头要求的，层板最大锪窝深度是层压板厚度（t1）的70%，如图1，且钉杆承力长度要满足表1中最小值。 4 结束语

复合材料构件虽然已在航空制造工业中得到大量应用，但由于其与金属具有截然不同的材料属性，复合材料/金属叠层结构制孔技术是飞机装配过程中的一大难题。对于解决复合材料及其叠层结构的制孔问题，要综合考虑在切削过程中的切屑形成机制、钻削力和钻削热的情况，从而分析钻削过程中典型加工损伤，如毛刺与撕裂、分层缺陷及孔壁表面损伤的产生原因和影响因素，然后制定相应的制孔刀具材料和优化的加工制造参数。随着数字化及计算机技术的发展，可以应用仿真技术研究、探索复合材料及其叠层结构多种加工新技术及钻削过程的可视化。 参考文献

[1] 黄侠.先进复合材料装配工艺技术的应用研究[C].2002年航空制造技术学术交流会.2002年航空制造技术学术交流会论文集.宁波：中国航空学会，2002：37-41.

[2] 王华.飞机先进复合材料结构装配协调技术研究现状与发展趋势[J].航空制造技术，2018，61（7）：26-33.