碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）是以碳或石墨纖維為增強體的樹脂基復(fù)合材料。因其具有比強度、比剛度高，耐疲勞性能好及可設(shè)計性強等優(yōu)點，在航空航天領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，已發(fā)展成為繼鋁、鋼、鈦之后的第四大航空航天結(jié)構(gòu)材料之一。碳纖維增強復(fù)合材料在大飛機上的用量直線上升，歷年應(yīng)用情況見圖1。
圖1 大型客機復(fù)合材料應(yīng)用情況
碳纖維增強復(fù)合材料在應(yīng)用過程中往往要與其他結(jié)構(gòu)進行連接，連接是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，航空航天飛行器中60%~80%的破壞都發(fā)生在連接部位。連接中最常采用的機械連接需要先制孔。例如，一架波音747飛機有300多萬個連接孔，而美國最先進的F-22戰(zhàn)斗機每副機翼要14000個精孔。復(fù)合材料是典型的難加工材料，其制孔工藝復(fù)雜，對刀具和工藝參數(shù)的要求更高。因此，復(fù)合材料制孔工藝已成為復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵工藝之一。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制孔缺陷
碳纖維增強復(fù)合材料是由質(zhì)軟而粘性大的基體材料和強度高、硬度大的碳纖維增強材料混合而成的二相或多相結(jié)構(gòu)，其力學性能呈各向異性，層間強度低，切削時在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、劈裂等缺陷。碳纖維增強復(fù)合材料鉆削加工中主要存在以下問題：
（1）材料硬度大，其硬度HRC值可達53~65，相當于一般高速鋼的硬度，因而鉆孔時鉆頭磨損很快；
（2）層間強度低，在鉆孔過程中，易產(chǎn)生分層等缺陷；
（3）屬于各向異性材料，鉆孔處的應(yīng)力集中較大，極易引起劈裂等缺陷；
（4）熱導(dǎo)率小，線脹系數(shù)和彈性恢復(fù)大，鉆孔時，存在縮孔現(xiàn)象；
（5）切屑為粉塵狀，對人體健康危害大。
分層是碳纖維復(fù)合材料鉆孔的主要缺陷。分層缺陷的大小可以用分層因子（Fd）來表示。分層因子可以用以下公式表示：
Fd =Dmax/D ，
其中，Dmax表示最大損傷區(qū)域的直徑，D 表示孔的實際直徑，如圖2所示。
圖2 分層評價指標
Hoeheng H等 通過試驗分析得出：分層因子Fd 與平均軸向力Fz間存在著線性或分段線性關(guān)系：平均軸向力Fz越大，分層因子Fd越大，分層越嚴重。因此，可以通過平均軸向力的大小以及制孔質(zhì)量，來評判不同鉆削工藝的優(yōu)劣。
復(fù)合材料鉆削刀具
國外一些著名刀具生產(chǎn)廠商已經(jīng)開發(fā)研制出適合碳纖維增強復(fù)合材料鉆削加工的專用刀具。如瑞典的山特維克可樂滿公司已經(jīng)研制出適合高纖維CFRP鉆孔的專用刀具CoroDrill 854和適合高樹脂CFRP鉆孔的專用刀具CoroDrill 856，這2種刀具可加工最大直徑12.70mm的孔，壽命可以達到鉆650個孔（圖3）。
圖3 山特維克可樂滿刀具
德國瓦爾特集團開發(fā)的WalterTitex PCD 鉆頭（圖4）是適合多種CFRP復(fù)合材料加工的專用鉆頭，其孔徑加工范圍為2.0~6.4mm。該刀具能有效減小軸向力，從而減小復(fù)合材料的撕裂、分層和毛刺等缺陷，壽命可以達到鉆600個孔。另外，美國的肯納刀具針對碳纖維增強復(fù)合材料也研制了復(fù)合材料專用鉆頭SPF。
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