航空碳纤维复合材料制孔刀具研究

《航空碳纤维复合材料制孔刀具研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、８４工具技术航空碳纤维复合材料制孔刀具研究薛锴上海工具厂有限公司摘要：碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）结构件的制孔过程中普遍存在着分层、劈裂和毛刺等缺陷。针对这些问题，在ＣＦＲＰ系列化刀具的开发和应用中通过试验对刀具性能进行评价，为刀具的优化应用提供合理的切削参数范围。关键词：碳纤维复合材料；制孔中图分类号：ＴＧ１１５；ＴＧ６１；ＴＨ１６１．３文献标志码：ＡＳｔｕｄｙｏｎＡｖｉａｔｉｏｎＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅＤｒｉｌｌｉｎｇＴｏｏｌＸｕｅＫａｉＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃａｒｂ

2、ｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（ＣＦＲＰ）ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｒｅａｒｅｄｅｆｅｃｔｓｓｕｃｈａｓｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ，ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ，ｂｕｒｒａｎｄｓｏｏｎ．Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｅｔｏｏｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｕｓｔｂｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣＦＲＰｔｏｏｌｓ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｔｏｏｌｇｅｏｍｅｔｒｙａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｄｅｓｉｇ

3、ｎ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｃｕｔｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｒａｎｇｅｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｏｏｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ；ｄｒｉｌｌｉｎｇ和质量要求更高，对制孔技术提出了新的挑战，亟需!引言专用高性能制孔刀具和高效精密制孔工艺。碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）具有高强度、高刚性、"1*4'制孔的主要问题良好的抗疲劳性和抗腐蚀性等优点，已广泛应用于航空航天、国防军工等高端装备制造领域。飞机机飞机结构件碳纤维复合材料制孔存在的问题主翼、垂尾和尾锥等，

4、火箭排气椎体、发动机和助推器要表现在以下方面。壳体等，人造卫星的承力结构、太阳能电池基板、复（１）制孔精度和质量差，加工缺陷严重。如果杂曲面天线和连接架等，宇宙飞船的翼面板和支撑采用传统麻花钻进行ＣＦＲＰ和Ｃ／Ａ叠层制孔，钻构件等均采用碳纤维复合材料。碳纤维复合材料在孔精度和表面质量差。特别是钻孔时轴向切削力军用飞机和民用大型客机上的使用量均可达到大，导致碳纤维复合材料产生纤维排列畸变、撕５０％。裂、层间分层和出口毛刺等缺陷（见图１）。铝合民用飞机翼梁、桁条和蒙皮等结构件通常由各金、钛合金等属于薄板制孔，也容易形成严重的出种

5、不同成分的碳纤维复合材料构成。碳纤维复合材口毛刺。料结构件装配时通常需要与作为承载支撑件（骨架或支架）的钛合金和铝合金零件局部连接，形成复合材料／合金（Ｃ／Ａ，Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ／Ａｌｌｏｙ）叠层构件，Ｃ／Ａ叠层构件主要采用铆接和螺接的机械连接形式，装配时需要加工大量连接孔。Ｆ－２２战斗机每副机翼上都有１４０００多个连接孔需要加工，一架波音７４７飞机则有３００多万个连接孔需要加工。ＣＦＲＰ图１碳纤维复合材料制孔缺陷和Ｃ／Ａ叠层制孔成为飞机制造中极为重要的加工（２）制孔工艺流程长。由于缺乏合适的专用高工序。性能刀具进行ＣＦＲ

6、Ｐ和Ｃ／Ａ叠层制孔，为了保证Ｃ／连接孔的加工精度和质量是保证构件连接可靠Ａ叠层结构的制孔精度和质量，生产现场不得不采性和寿命的关键。飞机碳纤维复合材料结构件制孔取“钻孔—扩孔—粗铰孔—精铰孔—锪窝”多工序数量多、难度大、要求高、工作繁重，装配制孔的精度加工策略，造成工序和刀具多，成本高、工艺流程长、管理复杂，难以实现自动化。这是由于采用手持工收稿日期：２０１６年２月具完成多工序加工时，制孔效率极低，制孔精度和质２０１６年第５０卷Ｎｏ．６８５量的稳定性难以保证。表１碳纤维复合材料钻削研究中主要应用的刀具类型（３）刀具磨损严重。

7、由于碳纤维复合材料的硬制孔刀具刀具结构度和强度高等特点，导致刀具快速磨损，影响加工精度和表面质量，并使生产成本居高不下。专用麻花钻（４）工艺参数匹配困难。Ｃ／Ａ叠层制孔时，由于碳纤维复合材料与合金材料性质的可加工性差异很大，钻削工艺参数的匹配和控制不当会导致严重匕首钻的界面缺陷和出、入口缺陷。（５）制孔过程排屑不畅，热影响严重。Ｃ／Ａ叠层结构制孔时，特别是ＣＦＲＰ／Ｔｉ合金叠层制孔时，钻削合金会产生连续的高温切屑，不仅不易排屑，而八面钻且高温切屑排出时容易划伤或烫伤复合材料内孔表面，影响制孔质量。综上所述，ＣＦＲＰ和Ｃ／Ａ叠

8、层构件制孔与传统三尖钻金属制孔具有巨大的区别，专用高性能制孔刀具和高效精密制孔工艺已成为航空航天领域复合材料构件装配中的关键技术。$碳纤维复合材料制孔刀具试验３碳纤维复合材料制孔加工刀具性能试验所用材料为多向铺层碳纤维复合材料层合要求板，每层均为单向单层，层合板铺层共有３２个铺层，碳纤维复