碳纖維復合材料（CFRP）是以碳纖維為增強材料、樹脂為基體的復合材料，因其具有比強度和比剛度高、抗疲勞性能好、耐溫性能好等優點，在航空航天領域的應用日益廣泛，并已迅速發展成為繼鋁、鋼、鈦之后的四大航空航天結構材料之一。
鉆孔是碳纖維復合材料制件裝配加工工藝中一個極為重要的工序。由于碳纖維復合材料具有硬度高、強度大、導熱性差、各向異性、層間強度低等特性，屬于難加工材料。在碳纖維復合材料上進行孔加工時，極易出現材料燒傷、孔表面質量差、分層、撕裂等缺陷，從而導致碳纖維復合材料制件報廢。目前，國內外對在碳纖維復合材料上的鉆孔技術已經開展了許多試驗性研究，也得出了一些有益的經驗和結論，但這些經驗和結論通常都只適用于使用機械設備進行鉆孔的工藝方法。對于制造企業而言，在碳纖維復合材料上使用先進的自動化設備進行鉆孔操作，無疑會帶來巨大的成本投入，因此較多企業仍然選擇了成本較低、技術經驗相對成熟的手工鉆孔方式。由于手工鉆孔在刀具穩定性、進給速度穩定性等方面控制性較差，因此手工在碳纖維復合材料上制孔時更容易產生各種孔加工缺陷。這已成為使用復合材料制件按傳統工藝方法進行裝配的難點和關鍵點。
碳纖維復合材料手工鉆孔的常見問題
碳纖維復合材料性能脆，強度高，碳纖維硬度高，導熱能力差（導熱系數僅為奧氏體不銹鋼的1/5~1/10），各向異性，層間強度低，切削時在切削力的作用下容易產生分層、撕裂等缺陷，手工鉆孔時尤其嚴重，加工質量難以保證。在碳纖維復合材料上制孔主要存在以下問題。
（1）碳纖維硬度高，其硬度高達HRC53~65 相當于高速鋼的硬度（HRC62~65），因此鉆孔過程中的鉆頭磨損很快。
（2）熱導率小，鉆孔時局部熱量集中較大，容易產生材料燒傷缺陷。
（3）鉆孔時的切屑為粉塵狀，污染環境，危害人體健康。同時，碳纖維切屑的導電性易使電氣設備和電網發生短路。
（4）層間強度低，在鉆孔過程中易產生分層缺陷。
（5）屬于各向異性材料，鉆孔處的應力集中較大，極易引起撕裂、毛邊等缺陷。
問題分析和解決方案
1 鉆頭磨損問題
由于碳纖維材料的硬度與高速鋼的硬度相當，因此不宜使用高速鋼材料的刀具，可選用高硬度刀具材料（包括硬質合金、陶瓷、金剛石等）進行加工。對比說明：使用鉆速為6000r/min 的手槍鉆，在厚度為7mm 的碳纖維復合材料上手工鉆制φ 4.85mm 的孔時，高速鋼鉆頭在鉆制3~4 個孔后出現進給困難現象，硬質合金鉆頭可以鉆制50~70 個孔，帶有金剛石鍍層（PCD 鍍層）的硬質合金鉆頭可以鉆制100~120 個孔。
2 材料燒傷問題
一方面是由于刀具鋒利度不夠，造成手工鉆孔時進給緩慢，延長了鉆削時間和刀具與材料之間的摩擦時間，從而產生了較多的熱量，使材料局部位置和刀具的溫度急劇上升，造成材料燒傷。因此應選用較鋒利的刀具進行鉆孔，以縮短摩擦時間減少熱量。麻花型鉆頭由于在鉆尖處橫刃的存在，使得此處的切削情況極為惡劣，實際上橫刃不產生切削作用，只是滾卷和粉碎纖維，不僅是軸向力的主要來源[2]，同時也是鉆孔過程中熱量的主要產生部位。因此如選用鉆型麻花鉆頭進行鉆孔，適當減小麻花鉆頭的橫刃大小，是增加刀具鋒利度，改善鉆孔質量的良好方法。美國HP 刀具公司生產的一種直刃鉆鉸復合鉆（也叫匕首鉆），由于其螺旋角為90°，在鉆尖處沒有橫刃存在，刀具與材料接觸面積小，因此鉆孔過程中所產生的熱量少，能夠有效避免材料燒傷現象。但這種刀具由于其排屑槽為直槽，不能有效排出金屬切屑，因此僅適用于純復合材料夾層上的鉆孔，并不適合于復合材料與金屬材料夾層。
另一方面由于碳纖維材料本身熱傳導性差，鉆孔過程中所產生的熱量不能及時散發而造成局部溫度上升燒傷材料，因此可以在鉆孔過程中加入冷卻液，使鉆孔過程中產生的熱量及時被冷卻液帶走，從而避免產生局部熱量集中而造成燒傷現象。
3 粉塵問題
針對在碳纖維復合材料上制孔會產生粉塵的問題，同樣可以在鉆孔過程中使用冷卻液將鉆孔時產生的粉塵帶走，使粉塵不散布到空氣中，從而避免對環境和人體產生危害。另外，還可以使用機器人鉆孔，一方面使操作者遠離有粉塵污染的環境；另一方面，還可以對鉆孔過程進行監控，進一步確保鉆孔質量。由于使用機器人鉆孔的一次性投入成本和后續維修成本極高，使用局限性較大，且加工效率并不見得比傳統工藝高，因此極少有企業選擇使用機器人鉆孔。
對于手工鉆孔，在鉆孔過程中添加冷卻液很不方便，且碳纖維粉塵與冷卻液混合后不便于清理，因此也可以使用帶有吸塵附件的鉆孔工具，在鉆孔時與高負壓吸塵器連接，通過高負壓吸塵器所產生的大量空氣快速流動，將鉆孔所產生的粉塵吸入到吸塵器中。另外，避免粉塵在空氣中飄散。
4 分層問題
在鉆孔過程中產生的分層是指鉆孔過程中軸向力作用引起孔壁周圍材料發生層間分離的現象。其評價指標為分層因子Fd，定義如下：Fd =Dm/Do，其中，Dm 為孔的層間破壞區域最大直徑；Do 為被加工孔的名義直徑。
分層因子Fd 與平均軸向力Fz之間存在著線性或分段線性的關系，Fz 越大，Fd 越大，分層也就越嚴重。而軸向力的大小又受鉆孔過程中的進給速度、刀具鉆速、鉆頭直徑、切削刃幾何參數、材料厚度、CFRP 材質等多種因素的影響。在鉆頭直徑、切削刃幾何參數、材料厚度、CFRP 材質一定的情況下，進給速度和刀具鉆速將是影響軸向力大小的主要因素。
圖1 是φ 4mm 硬質合金鉆頭鉆削3.5mm 厚復合材料時軸向力與轉速n 及進給量i 的關系曲線[3]。從圖1 可以看出，軸向力隨著轉速的增大而減小，這是因為較高的切削速度產生較多的切削熱，使工件材料的強度和硬度下降，軸向力有所下降；軸向力隨著進給量的增加而增大，這是由于隨著進給量增加，切削層厚度增加，所以會使軸向力增大。同時可以看出進給量的影響遠大于轉速的影響，所以進給量是控制軸向力的一個關鍵因素。
此外，刀具的鉆速也影響著軸向力的大小。對于手工鉆孔，當工具的鉆速特別高時，人手將很難保證鉆孔過程中工具和刀具的穩定性，鉆孔質量反而會出現下滑的趨勢，因此控制刀具鉆速也很重要。對于手工鉆孔而言，刀具的鉆速完全取決于風動工具提供的鉆速，而風動工具所能提供的轉速又受風壓、工具精度等方面的影響。因此改善風路條件、提高風壓穩定性和選擇質量較好的風動工具也對提高手工鉆孔質量有所幫助。通過在7mm 厚的碳纖維復合材料上手工使用1500r/min、3300r/min 和6000r/min 的風動工具鉆制φ 4.85mm 的孔進行對比試驗表明，使用6000r/min 的工具時能夠更有效的減少分層缺陷的出現。
5 撕裂和毛邊問題
撕裂和毛邊缺陷是碳纖維復合材料加工中最常見的故障，且多發生在孔的出口一側。撕裂和毛邊的產生都是由于鉆刃鋒利度不夠，復合材料纖維沒有被完全切斷造成的。因此提高切削刃的鋒利性能夠有效地解決此類缺陷。在手工鉆孔中，一般采用氣相沉積金剛石鍍膜（CVD）或聚晶金剛石鍍膜（PCD）硬質合金刀具進行鉆削加工。金剛石刀具有極鋒利的切削刃，可以在進給量非常小的情況下進行良好的切削。同時，鋒利的切削刃也使鉆削力變小，加上金剛石的摩擦系數小，可以進一步降低切削力，從而降低軸向力，防止各種缺陷的發生。由于目前國內罕有企業掌握金剛石涂層技術和擁有相應設備，因此在實踐中大多使用氮鋁鈦涂層的硬質合金刀具進行孔加工。實踐對比，氮鋁鈦涂層刀具的鋒利度比金剛石涂層稍差，且使用壽命也較短。因此為確保孔質量，需根據夾層厚度規定鉆孔數量在孔的出口處墊上膠木塊，確保鉆削過程中復合材料纖維不偏倒，這也是減少撕裂和毛邊的有效辦法。
手工鉆孔時提高孔質量的其他方法
與機械自動鉆孔相比，手工鉆孔有許多的不確定因素和人為影響，因此提高手工鉆孔質量的關鍵在于減少或減小這些不確定因素和人為因素的影響，從而達到一個平穩鉆削的過程。為獲得高質量的孔，采用合理的工藝措施是必要的。
1 采用分步鉆孔的工藝方法
分步鉆孔的方法就是在鉆孔時并不一次將孔鉆制到終孔，而是鉆孔后采用擴孔或鉸孔的方式將孔加工到終孔的方法。采用分步鉆孔的方法能夠減少鉆孔過程中的吃刀量，從而降低軸向力，減小缺陷產生的幾率。吃刀量的減少還能夠減少刀具的磨損，提高刀具使用壽命。而且鉆孔后采用鉸孔，能夠有效降低孔表面的粗糙度和提高孔的圓度。
2 使用垂直器或鉆模板
手工鉆孔過程中，如材料夾層厚度較厚時，手工鉆孔的穩定性進一步降低，將大大增加孔加工缺陷的產生。因此，在夾層較厚的情況下，手工鉆孔應使用垂直器或與鉆模板配合鉆孔，以起到穩定刀具的作用，從而增加鉆孔過程中的穩定性。
3 選擇正確的鉆孔方向
當鉆孔夾層中既有碳纖維復合材料又有金屬材料時，選擇合適的鉆孔方向也是影響孔質量的重要因素。通常情況下，在復合材料和金屬材料夾層上鉆孔時，應選擇從金屬材料向復合材料鉆孔，以避免排屑過程中金屬切屑損壞復合材料上的孔。如結構空間限制，只能從復合材料向金屬零件制孔，那么可以選擇加大鉆頭的排屑槽尺寸，以確保刀具良好的排屑能力減小金屬切屑損傷復合材料的幾率；或選用左旋鉸刀，將金屬切屑向刀具出口方向推，以保證最終孔的質量。
結束語
碳纖維復合材料是一種新興的材料，國內對在碳纖維復合材料上的鉆削加工技術研究仍處于起步階段。本文通過對手工在碳纖維復合材料上的鉆孔技術初步研究，得出以下結論。
（1） 手工鉆孔時應選擇較鋒利的刀具。
（2） 應選擇鉆速較高、穩定性較好的工具。
（3） 應選擇合適的工藝方法以降低手工鉆孔時的不穩定性。(end)
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