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行復合使用，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，當該材料用于航空領(lǐng)域時，通常需要進行鉆孔作業(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合材料加工使用較為普通的機床加工則對機械設備會嚴重磨損儀器和材料，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重。當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，纖維體積分數(shù)為25%，厚度為2mm。鉆孔參數(shù)主要包括切削速度和進給速度。設計試驗應使用進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

當鉆取碳纖維化合物時，當內(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，并進一步推導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。當臨界軸向力和實際進行對比時可以預見分層情況的的存在，然后通過選擇科學合理切削的相關(guān)參數(shù)，并對切削力進行詳細的檢查，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，導致分層誤差。很難糾正分層誤差?？梢酝ㄟ^控制材料供應來解決缺陷。如果進給量為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，進而計算出分層不發(fā)生的最大進給量。因此，在鉆削碳纖維復合材料時，應根據(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)生法向剪切應力。如果f介于0～90°之間，鉆頭將在工作材料上產(chǎn)生負剪應力。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。從復合材料的力學角度來說，由于碳纖維復合材料的牽引力和壓縮力不一樣，可以注意到，碳纖維復合材料在正剪切和負剪切下的剪切力是非常不同的。通過上述分析，當需要一點進行加工的材料處于負剪切的狀態(tài)，那么其有效剪切的可能性進一步得到提高，另外需要注意確定該材在正剪切狀態(tài)下的臨界剪切應力必須大于實際值，因此實際剪切增加的可能性。當工作角度為45度時，正剪應力等于工作纖維材料的實際應力，這可能受到橫向壓應力的影響。如果是負剪切，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。判斷工件在負剪切狀態(tài)下有可能被切割。負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。在負剪應力條件下，比臨界剪應力相對較小。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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