碳纖維復合材料（CFRP）由于具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞等優異的性能，廣泛應用于航空航天、國防軍事、汽車飛機構件等領域。以空客A380為例，碳纖維復合材料的用量已經達到32t左右，占機構總量的15%，再加上其他種類的復合材料，估計其總用量可達結構總重的25%左右。鉆削加工是碳纖維復合材料最常見的二次加工方式之一，制孔主要用于鉚接或者緊固結構件。然而，碳纖維復合材料因其具有各向異性和非均勻性、層間結合強度低、受溫度影響大等特點，在鉆削制孔過程中極易產生分層、毛刺和撕裂等缺陷，屬于典型的難加工材料。

 

　　研究表明，在上述幾種碳纖維復合材料常見的制孔缺陷中，分層缺陷對復合材料結構件的承載能力和疲勞強度影響最大。本文主要從碳纖維復合材料鉆削加工過程中分層缺陷的產生機理、影響因素和檢測等方面對國內外目前的研究現狀進行綜述。

 

　　CFRP的機理分析

 

　　由于CFRP力學性能的特殊性和內部結構的多樣性，在切削過程中，材料的變形過程遠比金屬材料復雜得多，這不僅與刀具形狀及工藝參數等傳統因素有關，還受纖維和基體屬性以及纖維鋪層方向的直接影響。因此，CFRP的切削加工機理與傳統的金屬切削加工機理有很大區別。

 

　　1.CFRP的切削機理

 

　　在1983年，Koplev等較早對碳纖維切削過程進行試驗研究，指出CFRP切屑主要是由材料的脆性斷裂形成的。D.H.Wang等對單向和多向碳纖維復合材料進行正交切削試驗，研究了不同的纖維方向對切屑形成機制的影響。由于碳纖維復合材料由脆性的碳纖維和韌性的樹脂基體組成，兩者強度極限相差很大，前者是后者的若干倍，因此學者張厚江等認為在切削過程中可以將其簡化地看成只是對碳纖維的切削，而將對樹脂基體的切削忽略。

 

　　

 

                                                    圖1 不同纖維方向角θ下的切削過程

 

　　文獻對一些典型的纖維鋪層方向進行研究，總結碳纖維復合材料在不同的纖維方向角θ下切屑的形成形式（見圖1）。

 

　　當θ=0°時，切屑的形成是刀具通過不斷地將切削層材料與基體材料分離開而實現的。這種切削變形形式稱為層間分離型。

 

　　當0°＜θ≤90°時，以圖1中θ=45°和θ=90°為代表，刀具切削刃對碳纖維復合材料的推擠作用在纖維內部形成垂直于纖維自身軸線的剪切應力。當剪切應力超過纖維剪切強度極限時，纖維被切斷。切斷后的纖維在刀具前刀面的推擠作用下，沿纖維方向產生滑移。當滑移引起的纖維界面間的剪切應力超過基體樹脂材料的剪切強度極限時，被切斷纖維與其他纖維分離，形成切屑。這種切削變形形式稱為纖維切斷型。

 

　　當90°＜θ＜180°時，以圖1中θ=45°為代表，刀具對前端材料的推擠作用導致復合材料間的層間分離。刀具前端材料在刀具作用下發生彎曲，當彎曲應力超過碳纖維復合材料的彎曲強度極限時，底部發生斷裂。刀具繼續前進，刀具對其前端材料推擠作用加強，當前端材料底部斷裂點處的剪切應力超過材料剪切強度極限時，發生剪切斷裂，形成切屑。這種切削變形形式稱為彎曲剪切型。

 

　　

 

                                                     圖2 鉆削CFRP時孔出入口的分層機制示意圖

 

　　2.分層產生機理分析

 

　　分層是指由層間應力或制造缺陷等引起的復合材料鋪層之間的脫膠分離破壞現象。研究表明，鉆削碳纖維復合材料過程中的分層缺陷可以分為兩種損傷機制：入口剝離分層和出口頂出分層（見圖2）。

 

　　在鉆削過程中，一方面，當鉆頭橫刃開始接觸材料而主切削刃未完全切入材料時，切削力會將被切除的材料推入螺旋槽。這些材料在切斷之前會沿著螺旋槽表面上升，產生向上的剝離力。剝離力會使上層未切除的區域產生分離，即為剝離分層。另一方面，當鉆頭的橫刃即將鉆出材料時，由于材料剩余的未切除的材料層數越來越少，在軸向力超過材料的層間結合強度時，出口周邊的鋪層之間發生脫粘現象而造成頂出分層缺陷。頂出分層發生在層間區域，因此它不僅取決于纖維的性質，而且和樹脂的性質有關。

 

　　對于分層的產生機理，張厚江等通過聲學顯微鏡分析指出，CFRP板材鉆削孔入口側和出口側都有分層，入口側分層為圓形，出口側表層分層為橢圓形，深層分層為圓環型；同一孔出口側的分層遠遠大于入口側的分層。

 

　　

 

                                                                圖3 分層因子表征示意圖

 

　　分層的影響因素

 

　　影響鉆削分層缺陷的因素有很多，包括切削參數、刀具、材料性質、制造工藝等。這些影響因素之間存在相互耦合的關系，而且在鉆削過程中還受到很多不可控因素的影響。目前，國內外學者研究較多的是切削參數與刀具對分層缺陷的影響。研究表明，鉆削過程中的軸向力是導致分層缺陷的最主要原因。在鉆削加工過程中，當軸向力超過一個閥值時，分層缺陷就會發生。其中，橫刃對軸向力的貢獻約占60%左右。

 

　　1.切削參數影響

 

　　切削參數變量主要包括切削速度、進給量f（每齒進給量fz）等因素。切削速度和進給量是鉆削加工過程中的兩個主要參數變量。研究表明，進給量對分層缺陷的影響大于切削速度。António T.Marques等采用4種不同的鉆頭研究了其在不同切削參數下的切削加工性能。試驗表明，合理選擇切削參數可以減小軸向力，進而減小分層缺陷影響。試驗研究指出以0.025mm/r的進給速度和53m/min的切削速度切削材料可以使軸向力和分層因子達到最小，分層因子下降大概4%-5%左右。

 

　　V.N.Gaitonde等用硬質合金鉆頭（K20）對碳纖維復合材料進行鉆削加工試驗研究，結果表明分層趨勢隨著切削速度的增加而減小，并且采用低進給量和頂角可以減小分層因子。

 

　　張厚江等采用YG6X整體硬質合金四面鉆頭鉆削CFRP時，發現進給量對各層間分層的影響呈上凹曲線。在進給量很小時，進給量增大分層尺寸降低；當進給量超過時，進給量增大，各層間分層尺寸上升。因此是產生最小分層的進給量，是一個臨界值。

 

　　Vijayan Krishnaraj等采用K20硬質合金鉆頭在不同主軸轉速和進給量的情況下研究碳纖維復合材料的切削加工性能。試驗表明，入口側剝離分層因子與進給速率之間并沒有明顯的規律，但是從總體上看，低進給速率的分層因子小于高進給速率的分層因子。出口側頂出分層因子隨著進給速率和主軸速率的增加而增大。進給速率是出口側頂出分層因子的主要影響因素。進給速率的貢獻率是51.4%，而主軸轉速的貢獻率是35.42%。試驗還給出了最優的進給速率和主軸轉速，分別為0.137mm/r和12000r/min。

 

　　2.刀具的影響

 

　　由于碳纖維復合材料屬于典型的難加工材料，并且鉆孔加工屬于半封閉加工，切削加工過程中產生的大量熱不易被切屑和刀具帶走。因此，鉆削加工容易導致刀具的磨損。刀具的磨損不僅影響制孔質量而且也會影響制孔效率和增加加工成本。刀具的影響因素主要包括刀具幾何形狀、刀具涂層、刀具參數等。

 

　　由于導致分層缺陷的臨界軸向力受切削刃的影響，因此刀具幾何結構對于減小分層缺陷有著重要的作用。Luís Miguel P.Dur?o等研究了五種刀具：120°頂角麻花鉆、85°頂角麻花鉆、鋸齒鉆、匕首鉆、階梯鉆。研究表明，120°頂角麻花鉆的分層因子最小，階梯鉆的分層因子次之，且與120°頂角麻花鉆的分層因子相差不大。分層因子最大的為鋸齒鉆，達到了1.23左右。因此，根據該試驗條件最佳的刀具為120°頂角麻花鉆，階梯鉆次之。

 

　　對于硬質合金涂層刀具，目前常用的主要有普通涂層（如AlTiN）和金剛石涂層等類型。Xin Wang等對比試驗研究了三種不同的刀具：未涂層硬質合金鉆頭、金剛石涂層硬質合金鉆頭和AlTiN涂層硬質合金鉆頭。試驗結果表明，金剛石涂層可以顯著減少刀具的磨損，然而AlTiN涂層硬質合金鉆頭由于在鉆削過程中出現氧化現象而未能有效降低刀具磨損速率。Redouane Zitoune等用納米涂層硬質合金鉆頭對碳纖維和鋁合金疊層材料進行鉆削加工。他們指出，在鉆削CFRP過程中，采用納米涂層硬質合金鉆頭可以顯著降低粗糙度和軸向力。軸向力的降低可以有效預防鉆削過程中的分層缺陷。

 

　　3.其他影響因素

 

　　影響分層缺陷的因素很多，除了上述廣泛研究的切削參數和刀具外還有其他重要的影響因素，比如材料的預浸漬方式、導孔的影響、墊板的影響、新工藝等。Islam Shyha等對比分析了3種類型預浸漬材料（977-2/HTS AC、8552/AS4 AC、MTM44-1/HTS OC）對鉆削過程的影響。研究表明在入口側分層缺陷，預浸漬方式的貢獻率為12%；然而，在出口側分層缺陷，預浸漬方式的貢獻率已經高達38.5%。另外，8552/AS4 AC預浸材料的分層因子較大，特別是在高進給速度（0.4mm/r）的情況下，該現象更為明顯。C.C.Tsao和H.Hocheng研究了導孔對分層缺陷的影響，其中導孔的直徑與套料鉆的內徑相等。試驗結果表明，雖然分層臨界軸向力由于導孔而降低，但是鉆削過程中的軸向力也由于切屑的去除而大大降低。控制預制導孔直徑與鉆孔直徑的比值，可以在較大進給量情況下鉆削加工碳纖維復合材料而不出現分層缺陷。C.C.Tsao和H.Hocheng通過在被加工材料底部安裝墊板，研究其對分層缺陷的影響。他們首先推導出鋸齒鉆和套料鉆帶墊板鉆削的分層臨界軸向力模型公式，隨后進行了試驗驗證。研究表明，安裝墊板可以較未安裝墊板獲得更好的鉆孔質量。

 

　　近年來，科研人員在對鉆削制孔機理進行大量的研究基礎上，試驗了一些新的制孔方法和材料處理工藝，并取得了一定的成果。本文以螺旋銑削制孔技術和縫合技術為例。螺旋銑削制孔技術是利用銑削原理進行制孔的新型切削加工方法。在螺旋銑削過程中，通過改變刀具與孔軸線之問的偏心距而得到不同的孔徑，因此可以實現同一刀具針對不同孔徑的制孔及锪窩加工，從而降低了加工成本，提高了加工效率。王奔等以傳統鉆削加工為參照，分別利用螺旋銑削及傳統鉆削兩種方法對C/E復合材料進行制孔試驗，并對螺旋銑削與傳統鉆削刀具的運動軌跡進行分析。結果表明，切削溫度是影響C/E復合材料制孔質量的重要因素。因為，螺旋銑削制孔時的切削溫度較傳統鉆削時降低69℃以上，降幅大于36%，因此有效避免了制孔出口處的撕裂及分層現象。

 

　　縫合技術作為一種復合材料液體成型預制體的有效連接增強的方法，其原理是通過縫合手段，使復合材料在垂直于鋪層平面的方向得到增強，從而提高材料層間損傷容限。穿過增強織物厚度方向的縫線可以大大改善復合材料的層間性能。Yosra Turki等試驗研究了縫合與未縫合復合材料的鉆削加工性能。結果表明，縫合材料在表面質量和缺陷減少方面比未縫合材料有很大的改進。縫合線使層間產生壓縮效應并且在鉆頭的推進過程中，阻礙其分離。因此，縫合技術可以減少由軸向力導致的分層缺陷和基質破裂。K.T.Tan等還研究了縫合密度和縫合線厚度對碳纖維復合材料的破壞形式和失效特性的影響。

 

　　

                                                           圖4 面積法分層因子表征示意圖

 

　　分層缺陷的檢測

 

　　為了檢測分層缺陷的程度，國內外科研人員研究試驗了許多種方法。張厚江等采用氯化金滲透液檢測法較早對碳纖維復合材料鉆削制孔分層缺陷進行檢測。檢測試驗中發現，分層缺陷的形狀主要有近似橢圓形和近似圓形兩種，兩者的中心都與孔中心重合。隨后，他們又采用聲學顯微鏡對碳纖維復合材料鉆孔分層缺陷進行檢測，根據檢測試驗結果及分析，總結出了立體分層模型，并對分層形成機理進行了探討。

 

　　為避免對材料產生人為損傷，無損檢測技術在分層缺陷檢測方面得到了廣泛運用。目前采用的無損檢測技術主要包括聲學顯微鏡、超聲C掃描、X射線電腦斷層攝影技術、增強射線照相法等。周正干等基于激光超聲技術，對復合材料緊固孔分層進行量化表征試驗；基于穿透法和脈沖反射法進行激光超聲Ｃ掃描檢測，得到緊固孔區域分層缺陷的形狀、尺寸和位置特征。研究結果表明，利用激光超聲技術的非接觸式激發、接收和高分辨力特點，可以準確測得緊固孔區域分層缺陷導致的波反射和衰減，有效表征飛機復合材料結構的緊固孔分層缺陷。

 

　　C.C.Tsao和H.Hocheng采用X射線電腦斷層攝影技術和超聲C掃描技術這兩種無損檢測技術對分層缺陷進行檢測。試驗結果表明X射線電腦斷層攝影技術和超聲C掃描技術測得的結果很接近，這兩項技術都可以揭示不同刀具分層發生的臨界軸向力。然而X射線電腦斷層攝影技術對于檢測分層缺陷更加靈活和有效。

 

　　結語

 

　　隨著對碳纖維復合材料性能要求越來越高、工作條件越來越苛刻，對碳纖維復合材料制孔質量要求也越來越高。分層作為鉆削制孔過程中的主要缺陷之一，國內外學者已經對其產生機理和影響因素進行了深入研究。通過優化合理選擇切削參數和采用不同幾何形狀和涂層的刀具是目前減少分層缺陷的有效途徑。通過對國內外對碳纖維復合材料分層缺陷的研究現狀進行綜述，今后可從以下方面加大對碳纖維復合材料制孔分層缺陷的研究：繼續研究新的刀具及優化刀具幾何結構參數以提高其切削性能；對復合材料進行深入研究，改善制造工藝，提高材料性能；建立完善、合理的仿真模型，以期達到對分層缺陷更準確的預測。