高模量樹脂基碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工缺陷研究

王宏博 唐珊珊

摘要：對于碳纖維材料來講，通常具有高性能和高碳含量，而通過有機纖維的轉(zhuǎn)化和熱處理，進(jìn)一步可獲得無機纖維材料，該材料的質(zhì)量非常好。這種材料在機械性能方面有許多優(yōu)點。其可以與金屬和樹脂以及陶瓷等材料進(jìn)行復(fù)合使用，并生產(chǎn)出新的結(jié)構(gòu)材料。樹脂纖維材料在工業(yè)中使用較為廣泛，但是在加工過程中鉆孔易出現(xiàn)缺陷，本文分析了鉆孔引起的誤差。

關(guān)鍵詞：樹脂基碳纖維;鉆孔加工;復(fù)合材料;加工缺陷;優(yōu)點

樹脂碳纖維化合物由碳纖維和樹脂所組成。該化合物具有非常高的強度，它的膨脹系數(shù)和同類化合物相比較低，實際比模量較高。因此，當(dāng)該材料用于航空領(lǐng)域時，通常需要進(jìn)行鉆孔作業(yè)，由于材料本身的特性，材料在受到穿孔力沖擊后會出現(xiàn)多個缺陷。本文討論了鉆孔對高模量碳纖維材料的影響。

1、樹脂材料和加工誤差分析

樹脂碳化合物的優(yōu)點是肯定的，但其缺陷也應(yīng)引起加工人員的注意，以避免明顯的缺陷。該材料是具有相對顯著各向異性的非均質(zhì)材料。盡管總體抵抗水平很高，但層間的強度較低。鉆孔時，材料將產(chǎn)生異常分層、撕裂、毛刺和其他缺陷，這將降低工藝質(zhì)量。當(dāng)這種材料用于航空、切削和鉆井領(lǐng)域時，是最常見的加工缺陷。如果對這種新型的復(fù)合材料加工使用較為普通的機床加工則對機械設(shè)備會嚴(yán)重磨損儀器和材料，縮短儀器的使用壽命。在切割和加工的情況下，設(shè)定的加工相關(guān)的參數(shù)對缺陷具有一定的影響，缺陷在沒有得到合理解決時，不斷提高材料的輸送能力，銑削和撕裂缺陷將變得更加嚴(yán)重。當(dāng)涉及到切割過程中的技術(shù)缺陷時，員工將缺陷區(qū)域化特征作為檢查缺陷的主要起點，調(diào)查缺陷的原因，并調(diào)查材料分層與鉆削力參數(shù)間的相關(guān)性。

2、基本測試參數(shù)

本次進(jìn)行試驗使用機床型號為kt1300vc，鉆頭F16 PCD扭矩鉆頭。試驗中使用的測功機為Kistler 9257b動態(tài)測功機。試件材料為碳基板，增強纖維類型為M55，纖維體積分?jǐn)?shù)為25%，厚度為2mm。鉆孔參數(shù)主要包括切削速度和進(jìn)給速度。設(shè)計試驗應(yīng)使用進(jìn)給速度和速度作為完整系數(shù)試驗的變化系數(shù)。

3、誤差分析

3.1分層缺陷分析

當(dāng)鉆取碳纖維化合物時，當(dāng)內(nèi)層載荷超過可互換連通性時會造成一定的分層現(xiàn)象，然依據(jù)彎曲理論及線彈性斷裂機理來講，Hocheng等分析了CFRP鉆孔過程中的分層機理，并進(jìn)一步推導(dǎo)出用計算臨界軸向分層力的公式如下：

抗彎剛度。

在本文中，使用該公式分析了鉆削力和分層力之間的關(guān)系。當(dāng)臨界軸向力和實際進(jìn)行對比時可以預(yù)見分層情況的的存在，然后通過選擇科學(xué)合理切削的相關(guān)參數(shù)，并對切削力進(jìn)行詳細(xì)的檢查，以防止出現(xiàn)分割現(xiàn)象。

對于分層缺陷來講，其主要在于材料臨界軸向力低于中間層，一般情況下，在鉆孔段的中部和入口的位置不易被發(fā)現(xiàn)缺陷的存在。然而，在檢查不作為情況后，可以確定存在明顯的損害。原始零件的厚度減小，且臨界軸向力值過低，導(dǎo)致分層誤差。很難糾正分層誤差。可以通過控制材料供應(yīng)來解決缺陷。如果進(jìn)給量為0，05mm/r，則輸出處臨界軸向力的實際軸向力相似，因此分層較低;對于0，10mm/r，實際軸向力大于出口位置的臨界軸向力，分層系數(shù)增加;如果進(jìn)給量為0，20mm/r，則實際軸向力顯著大于輸出端的臨界軸向力，且分層系數(shù)顯著增加。

基于削鉆試驗得到的經(jīng)驗公式

令，VC影響則可以忽略，進(jìn)而計算出分層不發(fā)生的最大進(jìn)給量。因此，在鉆削碳纖維復(fù)合材料時，應(yīng)根據(jù)實際鉆削軸線來選擇原料，以減少降解缺陷。

3.2毛刺缺陷

毛刺缺陷經(jīng)常在穿孔處出現(xiàn)，并且在特定的位置，在加工纖維符合材料時，切削速度和纖維的方向角度都會影響毛刺的出現(xiàn)。定義為F形切削角度。在鉆孔過程中，切削角度隨鉆頭旋轉(zhuǎn)在0～180°范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)變化。如果f介于0～90°范圍，鉆頭將在工作材料上產(chǎn)生法向剪切應(yīng)力。如果f介于0～90°之間，鉆頭將在工作材料上產(chǎn)生負(fù)剪應(yīng)力。因此，材料鉆頭加工過程可分為兩種類型：一是切削角度為銳角時為正剪刀，二是切削角度為鈍角時為負(fù)剪刀。另一方面，銑削缺陷只存在于切削角度大于0度且小于90度的區(qū)域。結(jié)果表明，在正常的切削過程中，工件的材料不易切削，軋機的缺陷容易形成。從復(fù)合材料的力學(xué)角度來說，由于碳纖維復(fù)合材料的牽引力和壓縮力不一樣，可以注意到，碳纖維復(fù)合材料在正剪切和負(fù)剪切下的剪切力是非常不同的。通過上述分析，當(dāng)需要一點進(jìn)行加工的材料處于負(fù)剪切的狀態(tài)，那么其有效剪切的可能性進(jìn)一步得到提高，另外需要注意確定該材在正剪切狀態(tài)下的臨界剪切應(yīng)力必須大于實際值，因此實際剪切增加的可能性。當(dāng)工作角度為45度時，正剪應(yīng)力等于工作纖維材料的實際應(yīng)力，這可能受到橫向壓應(yīng)力的影響。如果是負(fù)剪切，則與正切結(jié)果相反。從橫向膨脹分析中，發(fā)現(xiàn)牽引力小于壓縮力。判斷工件在負(fù)剪切狀態(tài)下有可能被切割。負(fù)剪和正剪影響工件的強度。在正常剪切操作期間，如果施加的臨界剪切力相對較大，則工件不容易切割，因為只容易出現(xiàn)毛刺缺陷。在負(fù)剪應(yīng)力條件下，比臨界剪應(yīng)力相對較小。與其他情況相比，工件易于直接切割，毛刺缺陷也被去除。當(dāng)鉆削材料時，質(zhì)量缺陷的分布在該區(qū)域具有特征性。

4、結(jié)論

在本文中，碳纖維復(fù)合材料鉆孔被視為一個研究項目。根據(jù)鉆孔活動，分析了可能存在的材料缺陷，重點分析了分層誤差和鉆孔誤差。由于材料本身的性能特點，這兩種缺陷很容易被發(fā)現(xiàn)。在處理這兩個缺陷之前，我們首先需要了解故障分布的原因和主要區(qū)域。一旦發(fā)現(xiàn)材料中的缺陷，我們必須立即處理復(fù)合材料，以保持材料的質(zhì)量，提高樹脂基碳纖維材料制成的工件的質(zhì)量。

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