碳纤维复合材料小孔加工工艺分析

  由于加工成本较低,机械钻削加工仍然是复合材料制孔时应用最普遍、实用性最强的工艺方法。国内外学者对复合材料的钻削工艺进行了大量系统性的研究,主要集中在通过钻削工艺试验来研究工艺参数(包括转速、进给速度)对制孔效果(如轴向力、分层损伤等)的影响规律。

  通过实验研究了直径032m硬质合金微钻钻削碳纤维复合材料时,转速和进给量对轴向力、扭.矩、分层、孔径和圆度的影响规律,建立了轴向力与扭矩的回归模型。试验结果表明,在所选参数条件下转速40000min,中等进给速度时的制孔质量较好。针对传统钻削加工时切削区温度高且散热困难的问题,采用螺旋铣削方式进行制孔,由于刀具与材料的非连续性接触以及排屑较通畅,获得了较好的出口表面质量。

  然而,由于微细刀具的刚度较低、螺旋铣削方法不适用于微小孔加工。采用麻花钻制孔时,横刃主要以顶压的形式作用于复合材料,切削作用极弱,使其产生的轴向力高达总轴向力的(50~80)%,为了改善这一状况,可采用“以磨代钻”的方法进行磨削制孔。该方法通常采用中空形的电镀或钎焊套料工具,将集中在麻花钻主切削刃和横刃上的切削力分散到刀具周围大量微小的磨粒上。

  另外,中空的刀具结构减少了切削材料的体积,从而显著降低了制孔轴向力。通过制备磨粒有序排布的钎焊金刚石套料钻加工碳纤维复合材料,相比传统钻削可提高钻头的耐磨性,改善制孔质量。然而.磨削制孔会产生大量的切削热,切削热对复合材料小孔加工质量的影响程度还有待深入研究。

  另外,对采用特种加工方法实现复合材料制孔的可行性进行了研究,采用高速电火花并辅助喷雾冷却的方法,实现了半导电的碳纤维复合材料直径2mm小孔的加工。电火花加工能有效解决传统切削加工时的粉尘,其放电中心的瞬时温度高达10000℃,不可避免的会产生热影响区。

  高温易引起入口和出口处的毛刺、翻边以及孔内壁的分层损伤。超声辅助加工将高频超声振动加在刀具或工件上,从而改变了材料的去除机理。采用固结磨粒工具进亍旋转超声椭圆制孔加工,与传统加工相比,能够改善复合材料切屑粉尘和料芯的排出,降低切削力、减轻工具磨损.抑制出口分层.提高孔的尺寸精度明。目前,超声辅助加工复合材料小孔方面的研究还不多见。